CC BY
15
10. Kadomtsev A.G., Damaskinskaya E.E., Kuksenko V.S. Osobennosti razrusheniya granita pri razlichnykh usloviyakh deformirovaniya [Features of granite failure under different deformation conditions], Fizika tverdogo tela [Physics of the Solid State], 2011, Vol. 53, Issue 9, pp. 1777-1782.
11. Stephens R.W.B., Pollock A.A. Waveforms and frequency spectra of acoustic emission, J. Acoustic. Soc. Amer., 1971, Vol. 50, No. 3, pp. 904-910.
12. Kadanoff L.P., Nagel S.R., Wu L., Zhou S. Scaling and universality in avalanches, Phys. Rev. A,
1989, Vol. 39, No. 12, pp. 6524-6537.
13. Jaeger J.C., Cook N.G.W., Zimmerman R.W. Fundamental of rock mechanics. 4th ed. Blackwell Publishing, 2007, 475 p.
14. Eshelby J.D. The continuum theory of lattice defects, Solid State Phys., 1956, Vol. 3, pp. 79-144.
15. Chinnery M.A. The Deformation of the Ground around Surface Faults, Bull. Seism. Soc. Amer., 1961, Vol. 51, pp.355-372.
16. Maruyama T. Stress Field in the Neighborhood of a Crack, Bull. Eartq. Res. Inst., 1969, Vol. 47, pp. 1-29.
17. Scholz C.H. The Mechanics of Earthquakes and Faulting. Cambridge: Cambridge Univ. Press,
1990, 471 p.
18. Godano C, Alonzo M. L. Scaling laws of seismic events a model with fractal geometry, Fractals, 1999, Vol. 7, No. 4, pp. 341-351.
19. Cherepantsev A.S. Otsenka vremeni dostizheniya kriticheskogo sostoyaniya v modeli Olami-Federa-Kristiansena [Time estimation of reaching the critical state in Olami-Feder-Christensen model], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Severo-Kavkazskiy region [Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. North Caucasus region], 2008, No. 1, pp. 72-77.
20. Cherepantsev A.S. Otsenka skorosti skhodimosti resheniya v modeli blokov s uprugimi svyazyami [Estimation of the rate of solution convergence in the blocks model with elastic coupling], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2009, No. 7 (96), pp. 162-168.
Статью рекомендовал к опубликованию д.ф.-м.н., профессор А.А. Илюхин.
Черепанцев Александр Сергеевич - Южный федеральный университет; e-mail:
acherepantsev@s edu.ru; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44; тел.: 89281042665; кафедра высшей математики; доцент.
Cherepantsev Alexandr Sergeevich - Southern Federal University; e-mail: acherepantsev@sfedu.ru;
44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia; phone: +79281042665; the department of higher mathematics; associate professor.
УДК. 621.315 DOI 10.23683/2311-3103-2018-7-110-125
В.А. Костюков, М.Ю. Медведев, В.А. Шевченко, Н.К. Полуянович,
М.Н. Дубяго
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ И МОБИЛЬНЫХ ПЛАТФОРМ НА БАЗЕ ВИХРЕВЫХ ВЕТРОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
На основании аэродинамической модели винта проведены исследования взаимовлияния ротора, кольца и выходного устройства ветроэнергетической установки компоновки «ротор в раструбе». Составлена функциональная схема процесса исследования аэродинамики и математической модели ветроэнергетической установки (ВУ). Для повышения эффективности использования энергии ветра и аэродинамической мощности проведено моделирование аэродинамики раструба ветроколеса в программном комплексе Ansys Workbench и Ansys Fluent. В заданном диапазоне ветровых нагрузок и заданном роторе, получена оптимальная форма раструба, обеспечивающие максимальное среднее значение полезной
аэродинамической мощности (P) ветрового потока ротора. Проведена оптимизация по заданному критерию и заданной совокупности базовых форм геометрии раструба ветроэнергетической установки типа «ротор в раструбе». Исследована аэродинамическая нагрузка на ротор, для оптимальной формы раструба ветроэнергетической установки. Рассмотрены характерные распределения скалярных и векторных полей, иллюстрирующих картину обтекания рассматриваемой системы «ротор+раструб», при заданных параметрах невозмущенного потока и вращения ротора. Получены графики зависимостей моментов (Mz, My, Mx) стандартной, оптимизированной формы ВУ от линейной скорости V набегающего потока, а также зависимость аэродинамических мощностей P стандартной и оптимизированной формы от скорости V набегающего потока. Представлены результаты аэродинамической оптимизации ветроэнергетической установки (ВЭУ) с вертикальной осью вращения, осесимметричными статором и ротором специальных форм. Показано, что ВЭУ использующие полезную интерференцию статора и ротора, по энергетическим характеристикам превосходят классические ВЭУ при прочих равных условиях. Определена перспектива развития ВЭУ заключающаяся в использовании изменяемых элементов геометрии повышающих адаптивность системы управления, расширении диапазона регулирования момента на роторе, а также робастности указанных характеристик к ветровым и конструкционным возмущениям.
Энергоэффективность; аэродинамическая мощность аэродинамика; распределения полей ветроэнергетическая установка; интерференция.
A.V. Kostyukov, M.Yu. Medvedev, V.A. Shevchenko, N.K. Poluyanovich,
N.M. Dubyago
DEVELOPMENT OF POWER SUPPLY SYSTEMS OF STATIONARY AND MOBILE PLATFORMS BASED ON THE VORTEX OF WIND CONVERTERS
On the basis of the aerodynamic model of the screw, studies of the interaction of the rotor, the ring and the output device of the wind power plant of the "rotor in the bell" arrangement were carried out. Compiled a functional diagram of the process of the study of aerodynamics and mathematical models of the wind turbine (WU). To improve the efficiency of use of wind power and aerodynamic power. but the simulation of the aerodynamics of the socket of the propeller in the program of kom-Plex Ansys Workbench and Ansys Fluent. In a given range of wind loads and a given rotor, the optimal shape of the bell is obtained, providing the maximum average value of the useful aerodynamic power (P) of the wind flow of the rotor. The optimization according to a given criterion and a given set of basic shapes of the geometry of the bell of the wind power plant of the "rotor in the raster" type is carried out. The aerodynamic load on the rotor for the optimal shape of the wind turbine bell is investigated. The characteristic distributions of scalar and vector fields illustrating the flow pattern of the considered system "rotor+bell" are considered for the given parameters of the undisturbed flow and rotation of the rotor. The graphs of the moment dependences (Mz, My, Mx) of the standard, optimized WU form on the linear velocity of the incoming flow are obtained, as well as the dependence of the Aero-dynamic powers of the standard and optimized form on the velocity of the incoming flow. Presents the results of aerodynamic optimization veteraner-energy installation (wind turbines) with a vertical axis of rotation, assymmetric-governmental stator and rotor, and special shapes. It is shown that the wind turbines using the useful interference of the stator and rotor exceed the classical wind turbines in terms of energy characteristics, all other things being equal. Determined the future development of wind turbines which consists in the use of mutable elements of geometry improves the adaptability of the control system, expanding the control range of the torque on the rotor, but also of the robustness of the characteristics of wind and structural perturbations.
Energy efficiency; aerodynamic power aerodynamics; field distributions wind power plant; inter-ference.
Введение. В настоящей работе рассматриваются концепция и методика разработки комплексной силовой энергетической установки (КСЭУ) на базе вертикально-осевой вихревой ветроэнергетической установки (ВЭУ).
Актуальность данного проекта заключается, с одной стороны, в потребности повышения мощности ВЭУ без роста шумовых воздействий при прочих равных условиях. С другой стороны, - в необходимости разработки компактного источника экологической электроэнергии для обеспечения удаленных, подвижных или необитаемых объектов.
В работах [1-4] рассмотрен процесс разработки вихревой ВЭУ, геометрия которой изображена на рис. 1.
а) схема расположения всех компонентов ...
„ б) геометрия ротора - 2
. , г) геометрия направляющей
в) геометрия дифузора - 1
структуры - 3
Рис. 1. Геометрия разрабатываемой ВЭУ
Данная ВЭУ состоит из ротора специальной формы и двухсвязной статической структуры. В [1-4] был описан процесс разработки конструкции диффузора (или статора) и его оптимизации с целью достижения максимального аэродинамического момента вращения на роторе.
Работа вихревой ветроэнергетической установки основана на принципе полезной аэродинамической интерференции между статической и роторной частями установки [5], а также использовании лопастей ротора специальной формы, эффективно воспринимающих как горизонтальные, так и вертикальные восходящие потоки. Вихрь, возникающий в результате вращения ротора, концентрируется внутри диффузора и над его верхней частью. Образованные области пониженного давления вызывают эффект дополнительной тяги, что увеличивает момент вращения ротора. Возникающая при этом над ним вихревая структура дополнительно подпитывает энергией ротор, находясь с ним в динамическом равновесии (рис. 2).
Рис. 2. Структура движения потока в окрестностях профиля
В настоящей работе предложена модернизация рассмотренной конструкции, позволившая обеспечить повышение мощности ВЭУ на 30 % по сравнению с прошлым вариантом. Было произведено сравнение разработанной ВЭУ с несколькими наиболее распространенными типами вертикально-осевых ВЭУ: а) ротором Саво-ниуса; б) ротором Дарье; в) ротором Дарье типа Н в обтекателе.
Здесь также рассматривается схема электрического управления указанной КСЭУ, включающей, в общем случае, разрабатываемую ВЭУ, солнечные панели (СП) и резервный источник энергии - дизельный генератор (ДГ). Особенностью предложенной схемы является наличие управляемых элементов геометрии ВЭУ [1, 2], в частности, для механической стабилизации частоты вращения ротора, а также для осуществления аэродинамического торможения его при больших скоростях ветра.
1. Постановка задачи. Необходимо разработать комплексную силовую энергетическую установку (КСЭУ) на базе возобновляемых источников энергии, вырабатывающую не менее 10% от номинальной мощности по-
требления рассматриваемого объекта; потребуем, чтобы КСЭУ включала ВЭУ -как основной элемент для проектирования, солнечные панели (СП) и дизельный генератор (ДГ).
Рассматриваемая ВЭУ может быть стационарного базирования (рис. 3,а), в том числе образовывать компактные станции [4] (рис. 3,б), а также - мобильного базирования, в том числе на судах малого водоизмещения [2] (рис. 3,в).
Возможность применения КСЭУ на мобильных платформах, таких как баржи, паромы, суда дальнего плавания и т.д., существенно расширяет спектр использования ВЭУ, но и накладывает определенные ограничения на принципы установки и разработки конструкции, которые вытекают из требований безопасности и эффективности функционирования мобильного объекта, сферы его использования и его тактико-технических характеристик.
С учетом этих ограничений проектируемая ВЭУ должна соответствовать ряду требований:
1) быть компактной, для того чтобы её установка на не увеличивала парусность подвижного объекта; мобильный объект не увеличивала парусность под воздействием потоков ветра;
2) превосходить по мощности все аналоги при одинаковой площади ометае-мой поверхности ротора (площадь лопастей на которые попадает поток ветра), а также с условием одних и тех же скоростях ветра и угловых скоростях вращения;
3) обладать пониженным уровнем шума по сравнению с указанными аналогами;
4) обладать достаточной прочностью конструкции;
5) не зависеть от направления воздушного потока относительно подвижной своей части;
6) обладать эффективной системой останова ротора при достижении критических его оборотов;
7) подлежать легким монтажу, демонтажу и ремонту.
а) стационарное базирование ВЭУ б) возможность объединения нескольких
одиночных ВЭУ в компактную станцию
в) базирование ВЭУ на подвижной платформе
Рис. 3. Варианты базирования ВЭУ
Требованиям 1, 3 и 5 классические горизонтально-осевые ВЭУ не удовлетворяют. При малых габаритах горизонтально-осевые ВЭУ вырабатывают меньше электроэнергии в сравнении с вертикально-осевыми, также им требуется дополнительный механизм поворота башни для улавливания воздушных потоков. Тихоходные вертикально-осевые ВЭУ с точки зрения воздействия на окружающую среду имеют преимущества перед быстроходными горизонтальными пропеллерными в отношении минимизации: уровней аэродинамических и инфрашумов, вибраций, теле- и радиопомех, радиуса разброса обломков лопастей в случае их разрушения, вероятности столкновения лопастей с птицами. Однако наиболее распространенные установки этого типа, например, с роторами типов Савониуса, Дарье, Эванса и др., не удовлетворяют условиям 1, 4, 7, хотя некоторые их современные конструкции не ступают горизонтально-осевым ВЭУ в отношении условия 2 для малых и средних скоростей ветра
Остаются те конструкции вертикально-осевых тихоходных ВЭУ, которые имеют специальный обтекатель - предохраняющий ротор от повреждений, легки при монтаже и при встраивании в существующие конструкции подвижных и стационарных платформ с минимальным приращением парусности.
Необходимо также разработать структурную электрическую схему КСЭУ, учитывающую особенности функционирования разрабатываемой ВЭУ, удовлетворяющую указанным выше требованиям, совместно с солнечными панелями.
В работах [1-4] и патенте [6] обоснована одна из возможных конструкций ВЭУ вихревого типа, удовлетворяющая всем условиям, и показаны её аэродинамические преимущества в отношении вырабатываемой мощности, и сходные характеристики в отношении уровня шума, по сравнению с аналогами, в том числе рассмотренными в [7-13].
В рамках текущей работы была поставлена задача по увеличению мощности указанной вихревой ВЭУ (далее - ВВЭУ) за счет модернизации формы ротора; проведению сравнительной характеристики моментов на валу роторов различных ВЭУ; разработке структурной схемы КСЭУ.
2. Модернизация конструкции ротора ВЭУ. С целью повышения аэродинамического момента на валу ротора ВВЭУ была произведена модернизация формы её ротора.
Рассмотрим два варианта вихревого восьмилопастного ротора: типов А [1-4] (рис. 4,а) и Б - модернизированного (рис. 4,б).
В целях лучшего использования восходящих потоков, с которыми взаимодействует и которые пропускает ротор при своем вращении, было решено провести дополнительную параметризацию крыльчатки. Были введены следующие параметры:
1) параметр К , соответствующий радиусу кривизны лопатки. Как известно конструкция профиля крыла, является важнейшим фактором при проектировании летательных аппаратов. Сегодня известно огромное количество различных типов аэродинамических профилей. Проведя анализ можно обнаружить, что профиля изогнутого типа имеют большую подъемную силу, в отличии от стандартных симметричных профилей. В данной конструкции, внутренний изгиб приводит к повышению разницы давлений на верхней и нижней поверхностях лопатки, способствуя увеличению скорости восходящих потоков согласно закону Бернулли. Данный эффект в совокупности с развиваемой силой тяги, должен привести к увеличению аэродинамического момента вращения на роторе ВЭУ.
2) параметр г, соответствующий радиусу кривизны кромки лопатки. Скругленные кромки обеспечивают плавное обтекание потоком кромок самого профиля, что уменьшает силу сопротивления всего ротора в целом.
Значения параметров R и г были выбраны так, чтобы значительно не увеличивать толщину профиля лопасти и их массу.
Дополнительно ротор был снабжен сферическим обтекателем (рис 4 б перенести сюда), способствующим большей устойчивости вихревой структуры, возникающей над ротором.
Введенные изменения профиля сечения лопасти и дополнительный обтекатель позволяют потоку после прохождения окрестности лопастей ротора переходить в вертикальный режим движения и соответствующий вихрь над ротором с минимальной потерей энергии. Последнее увеличивает энергию самой вихревой структуры и долю энергии, отдаваемой ею ротору. При этом уменьшаются побочные моменты, воздействующие на ротор и приводящие к прецессионным движениям его оси, и, следовательно - к вибрации всей ВЭУ.
На рис. 4,в,г приведены распределения давления по поверхности роторов двух типов, полученных в результате численного аэродинамического анализа двух соответствующих вариантов компоновки ВЭУ. Результат сравнения этих вариантов показывает, что при рассматриваемых условиях наличие ротора типа Б дает аэродинамический момент My=10 Н*м на его валу, по сравнению со значением My=7,1 Н*м для случая ротора типа А.
Рис. 4. Концепции роторов и их CFD аннализ: а - геометрия исходного ротора
типа А; б - геометрия ротора типа Б; в - распределение давления по поверхности ротора типа А; г - распределение давления по поверхности ротора
типа Б
Процесс /-расчета (computational fluid dynamic) новой компоновки ВЭУ проводился в программном комплексе Ansys Fluent. Основным типом решателя был решатель по давлению pressure - based solver. Поскольку модель подразумевает задание вращения ротора вокруг своей оси, использовался нестационарный режим transient на базе метода скользящих сеток.
Структурированная сетка строилась в редакторе ansys meshing с использованием стандартных инструментов Size и Inflation. Сетка расчетной области построена на базе функции curvature, что позволяет наилучшим образом учесть области геометрии с повышенной кривизной.
Построенная сетка имела 924910 ячеек; средний показатель ортогонального качества равняется 0.88, что является необходимым условием достаточно точного расчета. На рис. 5 представлена расчетная сетка внутреннего вращающегося домена полной сетки, соответствующая ротору Б.
3. Технические характеристики КСЭУ. В табл. 1 приведены основные характеристики разрабатываемой КСЭУ, содержащей ВЭУ вихревого типа с ротором типа Б, для малого катера длиной с учетом предлагаемой конструкции
ВЭУ и полученных выше её аэродинамических характеристик. Значения мощностей ВЭУ, СП и КСЭУ даны для трех значений скоростей набегающего потока воздуха: V = 3 ,5 , 1 0 м / с. Если считать, что значение V=3 м/с соответствует минимальному скоростному режиму, с учетом как скорости воздушных потоков на море, так и собственной скорости движения катера, то при этом полная средняя мощность разрабатываемой КСЭУ равна Ркс эу = 2 к Вт, что составляет 14 % от заданной мощности двигательной установки ; причем на ВЭУ при-
ходится рассчитанная мощность Р в эу = 0 , 1 к В т, а на СП - Р с п = 1 ,3 к В т, полученная из расчета, что с 1 м 2 СП снимается в среднем мощность 190 Вт, что соответствует КПД СП ч с п = 1 9 %% . При V=10 м/с значения мощностей ВЭУ, КСЭУ соответственно равны: Рвэу = 3 ,7 кВ т, Ркс эу = 5 , 0 кВ т, что с учетом Р сп составляет уже 50 % от потребной мощности движителей.
I —
I ЛООООО.ОО Л 300000,00
^ гооооо.аа
Рис. 5. Сеточная модель ВВЭУ
Таблица 1
Основные технические характеристики разрабатываемой КСЭУ для роботизированного катера малого водоизмещения
Параметры КСЭУ Значение Примечание
Средние мощности: ВВЭУ/СП/КСЭУ, кВт, не менее 0,1 / 1,3 / 1,4 При рабочей скорости набегающего потока воздуха V=3 м/с
1,27 / 1,3 / 2,57 При рабочей скорости набегающего потока воздуха V=5 м/с
3,7 / 1,3 / 5,0 При рабочей скорости набегающего потока воздуха V=10 м/с
Напряжение 3-фазн./1-фазн., В 380/220
Частота, Гц 50
Масса КСЭУ, кг, не более 160
Максимальные габариты ВЭУ, м 2,4х1,6х2,4 Вертикальный размер может быть снижен за счет использования уже существующих конструктивных элементов катера в качестве нижней части статора
Максимальные габариты модуля на солнечных панелях, м х м х м, не более 2,2х2,5х2.9
Срок эксплуатации КСЭУ, лет, не менее 15
Период между техническим обслуживанием, лет, не менее 5
Стоимость (в серии), тыс. руб., не более 260 не включая монтаж
4. Сравнительная характеристика нескольких распространенных вертикально-осевых ВЭУ с разрабатываемой вихревой ВЭУ. На рис. 6 приведены 3d-модели разрабатываемой ВЭУ (г) и ВЭУ - аналогов для сравнения (а, б, в).
JL
Рис. 6. Геометрии рассматриваемых вертикально-осевых ВЭУ: а - ротор Савониуса; б - ротор Дарье; в - ротор Дарье типа Н в обтекателе; г - разрабатываемая вихревая ВЭУ
На рис. 7 представлены распределения давлений в вертикальных плоскостях, проходящих через осевые линии установок, для разрабатываемой ВЭУ (г) и ВЭУ-аналогов для сравнения (а, б, в) при горизонтальном потоке ветра со скоростью V = 5 м / с . Результаты моделирования показывают, что для первых трех ВЭУ градиент давлений ориентирован преимущественно в горизонтальной плоскости, а для четвертого типа значительной также является вертикальная составляющая градиента давления внутри раструба - верхней части статической структуры. Это есть свидетельство эффективного использования восходящих потоков, возникающих в соответствии с законом Бернулли, данным типом ротора при полезном интерференционном взаимодействии его со статором.
Модели анализируемых ВЭУ геометрически были приведены к одной и той же ометаемой ветром площади сечения установок, в данном случае к площади разрабатываемого ротора, £ = 1,56 м2 (перпендикулярного набегающему потоку).
На рис. 8 приведены зависимости развиваемых рассматриваемыми ВЭУ полезных аэродинамических моментов от скорости потока ветра V при угловой скорости вращения роторов со =аа = 6,28 гаё / 5; эти зависимости позволяют заключить, что разрабатываемая ВВЭУ более чем на 30 % превосходит аналоги в диапазоне скоростей V от 5 до 15 м/с при с = с0, а в диапазоне от 2 до 5 м/с наиболее приемлемым вариантом по мощности является ВЭУ с ротором Савониуса.
а
в
г
Л
в г
Рис. 7. Распределение давления в вертикальной плоскости для рассматриваемых вертикально-осевых ВЭУ: а - ротор Савониуса; б - ротор Дарье; в - ротор Дарье типа Н в обтекателе; г - Вихревая ВЭУ
тО 2 4 6 8 10 12 14 16
ф
| Скорость потока, V м/с
ВЭУ «5А\/А» ...........РоторСавониуса
Геликоидный ротор---Ротор Дарьетипа Н
Рис. 8. Зависимости моментов вращения на оси роторов рассматриваемых типов
ВЭУ
5. Электромеханическая схема управления КСЭУ. Как показано в работах [1, 2], использование изменяемых элементов геометрии (ИЭГ) для вертикально-осевых ВЭУ вихревого типа позволяет механически регулировать частоту вращения ротора ВЭУ, что при совместном использовании с обычными методами электрической стабилизации частоты способно значительно повысить эффективность и надежность работы ВЭУ, а также качество вырабатываемой электроэнергии. Поэтому рассмотрим обобщенную структурную электромеханическую схему комплексной силовой энергетической установки, включающей ВЭУ с ИЭГ, блок солнечных панелей и резервный дизельный генератор (ДГ), который нецелесообразно использовать только на судах достаточно малого водоизмещения.
Для подключения модуля ВЭУ к нагрузке может использоваться классическая схема (рис. 9), содержащая синхронный генератор с постоянными магнитами, фильтр низких частот, выпрямитель, инвертор, контроллер заряда (зарядного устройства) и аккумуляторные батареи (АКБ). Модулю СП соответствует свой контроллер заряда, питающий АКБ; ДГ может подключаться к нагрузке с помощью программно управляемого ключа 2.
Когда скорость ветра больше значения Vmin, определяющейся скоростью запуска ветродвигателя, и меньше Vmax, управляемый ключ 1 должен находиться в положении 1, если АКБ уже заряжена полностью. При этом сложное по форме выходное напряжение с синхронного генератора выпрямляется, а далее - инвертируется с получением трехфазного напряжения £/=380В частоты ./=50 Гц и далее -поступает на нагрузку. Если при тех же условиях АКБ заряжена не полностью, то ключ 1 процессором переводится в положение 2, при котором нагрузка начинает питаться от АКБ через инвертор.
Рис. 9. Обобщенная структурная схема КСЭУ
Если скорость У>^тсх, то при этом контроллер начинает ограничивать ток с выпрямителя и напряжение на генераторе повышается. В этом случае электромеханический момент сопротивления вращению ротора уменьшается и последний может раскрутиться еще сильнее. Для препятствования развитию такого аварийного режима предусматриваются два варианта: а) аварийный останов ветроколеса; б) сбрасывание энергии от генератора на дополнительное балластное сопротивление.
При этом, если ключ 1 находился в положении 2, то процессор дает команды исполнительным устройствам торможения ротора на отработку его останова. В том случае, когда превышение V>Vmax детектируется процессором в положении 1 ключа 1, то вначале производится переключение этого ключа в положение 2, а затем осуществляются уже описанные действия по отключению АКБ от генератора и торможение ротора.
Вводимой нами особенностью здесь является аэродинамическое торможение ротора, которое, по сути, есть пример использования ИЭГ для регулирования выходных характеристик ВЭУ. В разрабатываемой ВЭУ предлагается использовать
аэродинамический тормоз за счет управляемого втягивания ротора вверх, уменьшения ометаемой ветром поверхности ротора с возможностью её полного обнуления. Для осуществления торможения ротора предлагаемой конструкции ВЭУ целесообразно использовать два управляемых параметра изменяемой части геометрии этой ВЭУ: расстояний от нижней части ротора до верхнего края нижнего статора h^ 1 \ и до края верхнего статора h^ 2 \ соответственно (см. рис. 2).
Предаварийные скорости вращения ротора могут детектироваться не только прямо - по показанию анемометра, но также и косвенно - по показаниям датчиков тока и напряжения на выходе генератора. Кроме того, аналогичные датчики на нагрузке позволяют дополнительно реагировать на значения тока и напряжения нагрузки, а также на их градиенты, и заблаговременно проводить останов ротора.
Для механической стабилизации вырабатываемой на роторе аэродинамической мощности M используются изменяемые элементы геометрии ВЭУ (ИЭГ), которые отклоняются соответствующими исполнительными устройствами (ИУ) от своих нормальных положений для реализации заданного взаимодействия ветрового потока с ротором и статором ВЭУ. Для осуществления обратной связи по управлению ИЭГ используются соответствующие датчики их отклонения (ДИЭГ). Управляющие сигналы для ИУ вырабатываются в специальном блоке формирования управляющих импульсов для ИЭГ, регулируемого процессором.
АКБ должна осуществлять питание нагрузки и, соответственно, быть рассчитанной на один из двух возможных режимов: 1) снабжение потребителя при потере мощности от возобновляемых источников энергии (ВИЭ) так долго, как позволит емкость батареи; при этом указанная емкость должна быть как можно большей при заданном лимите стоимости батареи; 2) снабжение потребителя до включения дизельного генератора.
Рассмотрим именно второй режим, поскольку он определит нижнюю границу емкости АКБ в общем случае. Таким образом, блок АКБ должен обеспечивать мощностью нагрузку, питающуюся от КСЭУ, в течение кратковременных просадок её мощности (из-за нестабильного первичного энергопотока ВИЭ), нерабочего состояния ВЭУ и СП на время до ввода ДГ в работу. Зададим мощность КСЭУ Рксэу = 5 ,0 кВ т, соответствующую ветру V=10 м/с.
Время ввода в рабочее состояние ДГ в зависимости от мощности составляет от 2 до 15 секунд. Таким образом, выбор емкости АКБ определяется временем, в течение которого потребитель может оказаться запитанным только от батарей. Выберем 5-ти минутный интервал с максимальной мощностью нагрузки 5 кВт. Для примера рассмотрим АКБ производителя ВОСТОК PRO серии СХ. По таблице разряда АКБ постоянной мощностью (табл. 2) напряжение каждого из 6-ти элементов (количество элементов задано конструктивной особенностью и определено в технической документации на АКБ) упадет с номинальных 2 В до 1.6 В за 5 минут при нагрузке 892 Вт. Более глубокая разрядка АКБ является нецелесообразной и способна снизить срок его службы.
Для резервирования питания нагрузки 5 кВт в течение большего интервала времени можно воспользоваться формулой [14]:
с E • AD ,
АКБ DOD -VuHe -^акб' где e - потребляемая электроэнергия (кВА), ad - время работы от АКБ, dod -
максимальный уровень разряда, Т]инв - КПД инвертора, J]AKE - КПД АКБ.
Таблица 2
Разряд постоянной мощностью, Вт/эл-т (при 25°С) АКБ ВОСТОК CX-12200
В/эл-т 5 мин 10 мин 15 мин 30 мин 1 ч 3 ч 5 ч 10 ч 20 ч
1.60V 892 685 582 380 224 101 69.6 39.3 21.1
1.65V 874 664 573 376 223 101 69.4 39.0 20.8
1.70V 874 646 567 373 221 100 69.2 38.7 20.4
1.75V 813 602 540 364 219 99.9 68.4 38.3 20.0
1.80V 757 555 510 349 215 97.2 67.1 37.9 19.6
Выводы. В работе произведено обоснование конструкции ВЭУ, которая может быть структурным элементом комплексной силовой энергетической установки как стационарного, так и мобильного базирования. На основе работ [1-4] предложена модификация ротора конкретной формы вихревой ВЭУ с вертикальной осью вращения и осесимметричным статором за счет изгиба и закругления сечений лопастей с соответствующими радиусами кривизны, а также введения дополнительного сферического обтекателя. Проведенный аэродинамический анализ полученной новой конструкции вихревой ВЭУ [1, 3, 4] показал, что полезная аэродинамическая мощность этой установки в диапазоне скоростей ветра от 2 до 15 м/с превосходит соответствующие значения для нескольких наиболее распространенных типов вертикально-осевых ВЭУ (ротор Савониуса, ротор Дарье, ротор Дарье типа Н в обтекателе) в среднем на 30 %.
В работе показано, что предлагаемая конструкция ВЭУ удовлетворяет всем ключевым требованиям по обеспечению безопасности, надежности и экономичности, обусловленным использованием соответствующей КСЭУ на судне малого водоизмещения, в том числе робототехнической надводной платформе.
Для катера с мощностью двигательной установки синтезирована
обобщенная конструкция КСЭУ, вырабатывающая при принятом минимальном значении относительной скорости потока V = 3 м / с не менее чем 14% энергии от Рдв.
Рассмотрена структурная электрическая схема КСЭУ, включающая кроме ВЭУ также солнечные панели и дизельный генератор; последний может быть выведен из резерва при кратковременных провалах вырабатываемой энергии.
Работа поддержана грантом РФФИ № 1-КВ-1-2018-18-08-00473 «Разработка и исследование методов оптимизации и управления процессами преобразования энергии в силовых установках комплексного типа, в том числе преобразующими поток сплошной среды».
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Kostjukov V.A., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K. and Dubyago M.N. Adaptive mechatronic management system of wind-driven power-plant with variable geometry // 18th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM).
- 2017. - P. 460-464.
2. Медведев М.Ю., Костюков В.А., Маевский А.М., Павленко Д.Д. Разработка комплексной силовой энергетической установки для надводных робототехнических платформ // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2018. - № 1 (195). - C. 194-208.
3. Костюков В.А., Медведев М.Ю., Маевский А.Н., Полуянович Н.К., Савченко В.В. Исследование перспективной ветроэнергетической установки с типом компоновки «ротор в раструбе» // Вестник донского государственного технического университета. - 2017.
- № 1 (88). - С. 85-91.
4. Костюков В.А., Медведев М.Ю., Маевский А.Н., Полуянович Н.К., Савченко В.В. Оптимизация форм геометрии раструба ветроэнергетической установки типа «ротор в раструбе» // Вестник донского государственного технического университета. - 2017. - № 4 (91). - С. 61-68.
5. Хаскин Л.Я. Аэродинамика ветроколеса с обтекателем и выходным устройством // Ученые записки ЦАГИ. - 1993. - T. 24, № 4.
6. Пат. на полезную модель № 175397. Заявка № 2016133236. Опубл. 04.12.2017. Бюл. №34. МПК 51. Устройство преобразования кинетической энергии ветра в механическую энергию с помощью нижней направляющей структуры / Костюков В.А., Медведев М.Ю., Маевский А.М., Полуянович Н.К., Савченко В.В.
7. Rafal Wrozynski, Mariusz Sojka, Krzysztof Pyszny, Krzysztof Pyszny. The application of GIS and 3D graphic software to visual impact assessment of wind turbines // Renewable Energy.
- October 2016. - Vol. 96, Part A. - P. 625.635.
8. Qing'an Li, Junsuke Murata, Masayuki Endo, Takao Maeda, Yasunari Kamada. Experimental and numerical investigation of the effect of turbulent inflow on a Horizontal Axis Wind Turbine (part II: Wake characteristics) // Energy. - 15 October 2016. - Vol. 113. - P. 1304-1315.
9. Young Gun Heoa, b, Nak Joon Choic, Kyoung Ho Choib, Ho Seong Jia, Kyung Chun Kima. CFD study on aerodynamic power output of a 110 kW building augmented wind turbine // Energy and Buildings. - 1 October 2016. - Vol. 129. - P. 162-173.
10. Lin Wanga, Xiongwei Liub, Athanasios Koliosa. Renewable and Sustainable Energy Reviews.
- October 2016. - Vol. 64. - P. 195.210.
11. Михненков Л.В. Ветроэнергетическая установка планетарного типа // Научный вестник МГТУ. - 2008. - № 125.
12. Wenyi Liu. Design and kinetic analysis of wind turbine blade-hub-tower coupled system // Renewable Energy. - August 2016. - Vol. 94. - P. 547.557.
13. Горелов Д.Н. Энергетические характеристики ротора Дарье (обзор) // Теплофизика и аэромеханика. - 2010. - Т. 17, № 3. - С. 325-333.
14. Makbul A.M., Ramli Bouchekara H.R.E.H., Abdulsalam S. Alghamdi Optimal sizing of PV/wind/diesel hybrid microgrid system using multi-objective self-adaptive differential evolution algorithm // Renewable Energy. - June 2018. - Vol. 121. - P. 400-411.
15. Костюков В.А., Полуянович Н.К. Разработка теории и методов повышения эффективности ветроэнергетической установки // В сб: «Наука и образование на рубеже тысячелетий сборник научно-исследовательских работ». - Кисловодск, 2017. - С. 102-108.
16. Костюков В.А., Медведев М.Ю., Маевский А.Н., Полуянович Н.К., Савченко В.В. Исследование перспективной ветроэнергетической установки с типом компоновки "Ротор в раструбе" // Вестник Донского государственного технического университета. - 2017.
- Т. 17, № 1 (88). - С. 85-91.
17. Костюков В.А., Маевский А.М., Полуянович Н.К. Метод регулирования частоты вращения ротора ветроэнергетической установки за счет управления изменяемыми элементами геометрии // В сб: «Фёдоровские чтения - 2016 XLVI»: Международная научно-практическая конференция с элементами научной школы (Москва, 16-18 ноября 2016 г.) / под общ. ред. Б.И. Кудрина, Ю.В. Матюниной. - 2016. - С. 255-263.
18. Костюков В.А., Медведев М.Ю., Маевский А.М., Полуянович Н.К. Энергоэффективная адаптивная система управления ветроэнергетической установкой с изменяемой геометрией // В сб: «Технологии разработки информационных систем ТРИС-2016».
19. Костюков В.А., Маевский А.М., Полуянович Н.К., Дубяго М.Н. Разработка теории и методов повышения эффективности аэродинамической мощности ветроэнергетической установки с изменяемой геометрией // В сб. «Современные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций "РТ-2017"»: Матер. 13-й международной молодежной научно-технической конференции / под ред. А.А. Савочкина. 2017. - С. 179.
20. Буланович Д.В., Полуянович Н.К. Выбор оптимальной системы управления для ветроэлектрической установки // В сб. «Проблемы автоматизации. Региональное управление. Связь и автоматика (ПАРУСА-2017)»: Сб. трудов VI Всероссийской научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. - 2017. - С. 104-107.
REFERENCES
1. Kostjukov V.A., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K. and Dubyago M.N. Adaptive mechatronic management system of wind-driven power-plant with variable geometry, 18th International Conference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices (EDM), 2017, pp. 460-464.
2. Medvedev M.Yu., Kostyukov V.A., Maevskiy A.M., Pavlenko D.D. Razrabotka kompleksnoy silovoy energeticheskoy ustanovki dlya nadvodnykh robototekhnicheskikh platform [Development of an integrated power plant for surface robotic platforms], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2018, No. 1 (195), pp. 194-208.
3. Kostyukov V.A., Medvedev M.Yu., Maevskiy A.N., Poluyanovich N.K., Savchenko V.V. Issledovanie perspektivnoy vetroenergeticheskoy ustanovki s tipom komponovki «rotor v rastrube» [Research o perspective wind power plant with the type o arrangement "rotor in the bell"], Vestnik donskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the don state technical University], 2017, No. 1 (88), pp. 85-91.
4. Kostyukov V.A., Medvedev M.Yu., Maevskiy A.N., Poluyanovich N.K., Savchenko V.V. Optimizatsiya orm geometrii rastruba vetroenergeticheskoy ustanovki tipa «rotor v rastrube» [Optimization of geometry shapes of the wind turbine type "rotor in the bell"], Vestnik donskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the don state technical University], 2017, No. 4 (91), pp. 61-68.
5. Khaskin L.Ya. Aerodinamika vetrokolesa s obtekatelem i vykhodnym ustroystvom [Aerodynamics of a wind wheel with a fairing and an output device], Uchenye zapiski TSAGI [Scientific notes of TSAGI], 1993, Vol. 24, No. 4.
6. Kostyukov V.A., Medvedev M.Yu., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K., Savchenko V.V. Ustroystvo preobrazovaniya kineticheskoy energii vetra v mekhanicheskuyu energiyu s pomoshch'yu nizhney napravlyayushchey struktury [Device for converting kinetic wind energy into mechanical energy by means of the lower guide structure]. Patent for useful model No. 175397. Application No. 2016133236. Published 04.12.2017 Bull. No.34. MPK 51,
7. Rafal Wrozynski, Mariusz Sojka, Krzysztof Pyszny, Krzysztof Pyszny. The application of GIS and 3D graphic software to visual impact assessment of wind turbines, Renewable Energy, October 2016, Vol. 96, Part A, pp. 625.635.
8. Qing'an Li, Junsuke Murata, Masayuki Endo, Takao Maeda, Yasunari Kamada. Experimental and numerical investigation of the effect of turbulent inflow on a Horizontal Axis Wind Turbine (part II: Wake characteristics), Energy, 15 October 2016, Vol. 113, pp. 1304-1315.
9. Young Gun Heoa, b, Nak Joon Choic, Kyoung Ho Choib, Ho Seong Jia, Kyung Chun Kima. CFD study on aerodynamic power output of a 110 kW building augmented wind turbine, Energy and Buildings, 1 October 2016, Vol. 129, pp. 162-173.
10. Lin Wanga, Xiongwei Liub, Athanasios Koliosa. Renewable and Sustainable Energy Reviews, October 2016, Vol. 64, pp. 195.210.
11. Mikhnenkov L.V. Vetroenergeticheskaya ustanovka planetarnogo tipa [Wind power plant of planetary type], Nauchnyy vestnikMGTU [Scientific Bulletin of MSTU], 2008, No. 125.
12. Wenyi Liu. Design and kinetic analysis of wind turbine blade-hub-tower coupled system, Renewable Energy, August 2016, Vol. 94, pp. 547.557.
13. Gorelov D.N. Energeticheskie kharakteristiki rotora Dar'e (obzor) [Energy characteristics of the Darya rotor (review)], Teplofizika i aeromekhanika], 2010, Vol. 17, No. 3, pp. 325-333.
14. Makbul A.M., Ramli Bouchekara H.R.E.H., Abdulsalam S. Alghamdi Optimal sizing of PV/wind/diesel hybrid microgrid system using multi-objective self-adaptive differential evolution algorithm, Renewable Energy, June 2018, Vol. 121, pp. 400-411.
15. Kostyukov V.A., Poluyanovich N.K. Razrabotka teorii i metodov povysheniya effektivnosti vetroenergeticheskoy ustanovki [Development of the theory and methods of increasing the efficiency of the wind power plant], V sb: «Nauka i obrazovanie na rubezhe tysyacheletiy sbornik nauchno-issledovatel'skikh rabot» [In the collection "Science and education at the turn of the Millennium collection of research works."]. Kislovodsk, 2017, pp. 102-108.
16. Kostyukov V.A., Medvedev M.Yu., Maevskiy A.N., Poluyanovich N.K., Savchenko V.V. Issledovanie perspektivnoy vetroenergeticheskoy ustanovki s tipom komponovki "Rotor v rastrube" [Research of perspective wind power plant with the type of arrangement "Rotor in the bell"], Vestnik Donskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the don state technical University], 2017, Vol. 17, No. 1 (88), pp. 85-91.
17. Kostyukov V.A., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K. Metod regulirovaniya chastoty vrashcheniya rotora vetroenergeticheskoy ustanovki za schet upravleniya izmenyaemymi elementami geometrii [The method of regulating the rotor speed of the wind power plant by controlling the variable elements of geometry], V sb: «Fedorovskie chteniya - 2016 XLVI»: Mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferentsiya s elementami nauchnoy shkoly
(Moskva, 16-18 noyabrya 2016g.) [In the collection "Fedorov readings - 2016 XLVI": international scientific and practical conference with elements of the scientific school (Moscow, November 16-18, 2016), ed. by B.I. Kudrina, Yu.V. Matyuninoy, 2016, pp. 255-263.
18. Kostyukov V.A., Medvedev M.Yu., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K. Energoeffektivnaya adaptivnaya sistema upravleniya vetroenergeticheskoy ustanovkoy s izmenyaemoy geometriey [Energy-efficient adaptive control system of wind power plant with variable geometry], V sb: «Tekhnologii razrabotki informatsionnykh sistem TRIS-2016» [In the collection "Technologies of development of information systems TRIS-2016"].
19. Kostyukov V.A., Maevskiy A.M., Poluyanovich N.K., Dubyago M.N. Razrabotka teorii i metodov povysheniya effektivnosti aerodinamicheskoy moshchnosti vetroenergeticheskoy ustanovki s izmenyaemoy geometriey [Development of theory and methods for improving the efficiency of aerodynamic power of a wind power plant with variable geometry], V sb. «Sovremennye problemy radioelektroniki i telekommunikatsiy "RT-2017"»: Mater. 13-y mezhdunarodnoy molodezhnoy nauchno-tekhnicheskoy konferentsii [In the collection "Modern problems of radio electronics and telecommunications "RT-2017"": proceedings of 13-th international youth scientific and technical conference], ed. by A.A. Savochkina, 2017, pp. 179.
20. Bulanovich D.V., Poluyanovich N.K. Vybor optimal'noy sistemy upravleniya dlya vetroelektricheskoy ustanovki [Selection of the optimal control system for the wind power plant], V sb. «Problemy avtomatizatsii. Regional'noe upravlenie. Svyaz' i avtomatika (PARUSA-2017)»: Sb. trudov VI Vserossiyskoy nauchnoy konferentsii molodykh uchenykh, aspirantov i studentov [In the book "Problems of automation. Regional management. Communication and automation (SAILS-2017)": Proceedings of the VI all-Russian scientific conference of young scientists, postgraduates and students], 2017, pp. 104-107.
Статью рекомендовал к опубликованию к.ф.-м.н. А.С. Болдырев.
Медведев Михаил Юрьевич - Южный федеральный университет; e-mail: medvmihal@sfedu.ru; 347928, г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44; тел.: 88634371694; НИИ Робототехники и процессов управления; в.н.с.
Костюков Владимир Александрович - e-mail: vakostukov@s edu.ru; НИИ Робототехники и процессов управления; м.н.с.
Шевченко Виктор Александрович - e-mail: droogg@mail.ru; НИИ Робототехники и процессов управления; м.н.с.
Полуянович Николай Константинович - e-mail: nik1-58@mail.ru; тел.: 89185693365, кафедра электротехники и мехатроники; к.т.н.; доцент.
Дубяго Марина Николаевна - e-mail: w_m88@mail.ru; тел.: 89281758225; кафедра электротехники и мехатроники; ассистент.
Medvedev Mikhail Yur'evich - Southern Federal University; e-mail: medvmihal@sfedu.ru; 44, Nekrasovsky, Taganrog, 347928, Russia; phone: +78634371694; Research Institute of Robotics and Control Processes; leading researcher.
Kostyukov Vladimir Alexsandrovich - e-mail: vakostukov@sfedu.ru; Research Institute of Robotics and Control Processes; junior researcher.
Shevchenko Viktor Aleksandrovich - e-mail: droogg@mail.ru; Research Institute of Robotics and Control Processes; junior researcher.
Poluyanovich Nikolay Konstantinovich - e-mail: nik1-58@mail.ru; phone: +79185693365; the department of electric technics and mechatronics; cand. of eng. sc.; associate professor.
Dubyago Marina Nikolaevna - e-mail: w_m88@mail.ru; phone: +79281758225; the department of electrical engineering and mechatronics; assistant.
