CC BY
52
УДК 621.548
DOI: 10.25206/1813-8225-2018-161-55-59
л. л. бубенчиков
т. В. БУБЕНЧИКОВЛ о. В. КРОПОТИН Г. С. СМОРОДИН Е. ю. ШЕПЕЛЕВЛ Е. Л. МЛНЛКОВЛ Л. Л. ЗЛХЛРОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
УСКОРИТЕЛЬ ПОТОКЛ БЛШЕННОГО ТИПЛ ДЛЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТЛНОВКИ
В статье рассмотрены шестилопастные конструкции ускорителя воздушного потока упрощенного типа. Цель работы — исследование и выбор оптимальной конструкции ветроэнергетической установки башенного типа. С помощью программного и экспериментального исследования определена геометрия канала и выбрана конструкция с увеличением скорости проходящего потока в 2,75 раза, ускорения набегающего потока на 55 % и увеличением мощности, вырабатываемой ветроэнергетическими установками, в 3 раза. Данные результаты позволяют судить о целесообразности исследования, направленного на проблему увеличения скорости воздушного потока для увеличения вырабатываемой мощности установок.
Ключевые слова: ускоритель воздушного потока, ветроэнергетическая установка с ускорителем башенного типа, оптимизация конструкции концентратора.
В настоящее время развитие ветроэнергетики идет по пути усложнения конструкций ветроко-лес, систем управления и конструкции генераторов для повышения стабильности работы и увеличения КПД ветроэнергетических установок (ВЭУ).
Для территорий с невысокими скоростями ветра выработка ветроустановкой заявленной мощности затруднительна. Это связанно с тем, что большинство производителей ветроэнергетических установок рассчитывают получение номинальной мощности ветроустановки от скорости 10—14 м/с [1], соответственно, при скоростях менее 10 м/с использование ветроустановок большинства производителей нецелесообразно. Другими словами, лопастные ветроэнергетические установки, получившие свое развитие в далеком прошлом, с точки зрения теории эффективности, практически исчерпали пределы своего развития и дальнейшая их модернизация повлечет за собой лишь бесполезную трату материальных и финансовых ресурсов, то есть ветроэнергетика на основе лопастных ветро-турбин перспективна только в ограниченных районах с большими среднегодовыми скоростями ветра [2]. Единственным выходом для использования ветроэнергетических установок на территориях с низкими среднегодовыми скоростями является применение дополнительных ускорителей воздуш-
ного потока (конфузоры, диффузоры и их производные) [3].
ВЭУ с ускорителями ветрового потока могут применяться для электроснабжения потребителей, рассредоточенных на территориях с малой удельной нагрузкой (сельскохозяйственные потребители, фермерские, рыболовные, охотничьи, индивидуальные хозяйства, социальные сферы и т.д.), а также для электрификации социальной инфраструктуры территорий (сотовая связь, информационное обеспечение, метеостанции, посты МЧС, видеонаблюдение, охранные функции, мониторинг и т.д.). Серийное производство ВЭУ малой мощности позволит создать эффективные системы электроснабжения в децентрализованных регионах, а также будет способствовать популяризации идеи использования ветроэнергетики среди населения и руководства регионов России.
Общей характерной особенностью этих установок является то, что для организованного подвода и отвода воздушного потока к рабочему колесу и от него используются различного типа потоко-направляющие устройства или концентраторы потока. Концентраторы потока представляют собой конфузорные или диффузорные устройства, устанавливаемые в непосредственной близости от рабочего колеса энергоустановки. Предположительно,
в результате их действия повышается скорость потока в зоне колеса и, следовательно, коэффициент использования энергии потока. Однако задача по концентрации воздушных потоков оказалась совсем не простой [4].
Несмотря на небольшой интерес к проблеме ускорения потока, за последние 100 лет было предложено большое количество ускорителей потока. Это конфузорно-диффузорные каналы башенного типа [5], ВЭУ с несколькими ветротурбинами, многоярусные многолопастные конструкции, установки с различными модификациями лопастей и конструкции с направляющими плоскостями. Также это комбинированные установки: гелиоветроуста-новки, гидроветроустановки и горизонтально-осевые ветроустановки с пневматическим способом передачи мощности потока [6—14]. Однако известно, что самой лучшей конструкцией является так называемый «идеальный концентратор». Он представляет собой сужающуюся трубу, закрученную в пространственную логарифмическую спираль со спиральными направляющими внутри [15].
Создание, эксплуатация и ремонт такой конструкции очень сложны, поэтому данное исследование направлено на поиск упрощенных конструкций, которые максимально бы повторяли эффект «идеального концентратора», но были бы проще в строительстве и эксплуатации.
Крайне перспективным в этом свете видится использование вихревых эффектов в конструкции ветряков, что позволит не только начинать вырабатывать энергию на ветрах со скоростью 3,0 — 4,0 м/с, но и даст возможность работы от восходящих тепловых потоков, а также избавит окружающую среду от низкочастотных шумовых составляющих, присущих любой лопастной ветро-установке [2].
Для разрабатываемого ускорителя потока были поставлены следующие условия:
— ускорение воздушного потока более чем на 50 %;
— исключение необходимости ориентации системы по ветру;
— организация дополнительной устойчивости и надежности ВЭУ;
— отсутствие негативного экологического влияния на человека, птиц (низкий уровень шума), за счет расположения рабочего ветроколеса в теле ускорителя потока воздуха;
— возможность эффективно работать в регионах со скоростью ветра 3 — 5 м/с;
— приемлемая стоимость, габариты и внешний вид.
Для теоретического исследования проводилось математическое моделирование на базе программного комплекса АИБУБ СБХ.
Экспериментальные исследования по оптимизации конструкции проводились на макетах ускорителей с различными конфигурациями. Измерения изменения скорости воздушного потока проводились в лабораторных условиях. В качестве источника воздушного потока выступала система нагнетания воздуха (вертикально осевые вентиляторы мощностью 1 кВт).
Для измерения скорости потока использовались четыре анемометра, которые устанавливались на входе и на выходе из ускорителя. Каждое измерение проводилось 120 секунд с записью показаний два раза в секунду. За конечное принималось среднее значение.
а)
б)
в)
Рис. 1. геометрия направляющих ускорителя: а) направляющие конструкции в исходном положении; б) направляющие конструкции в положении поворота верхней плоскости на 60°; в) направляющие конструкции в положении поворота верхней плоскости на 120°
Рис. 2. Внешний вид модели конфузорной конструкции с углом поворота верхней плоскости на 60° относительно центральной оси
В ходе эксперимента изменялись следующие параметры конструкций:
— направление движения потока воздуха на входе конфузора;
— наклон вихревого (линейного) подъема потока в теле конфузорных каналов, путем добавления потокообразующих площадей (мосты различной формы).
Рассмотренные модели представляют собой шестиугольную усеченную пирамиду, вертикальные направляющие которой закручены на угол 60°, 120°, и 180° (рис. 1).
Для образования конфузорного канала были добавлены внешние плоскости. Вариант исполнения конфузорной конструкции с углом поворота 60° представлен на рис. 2.
Данные модели были проанализированы в программном комплексе АИБУБ. В ходе численных экспериментов с определенным шагом изменялась площадь входа в канал путем уменьшения площади внешней поверхности. После анализа данных были созданы опытные образцы (рис. 3), на которых производились экспериментальные исследования в лабораторных условиях.
Модели состоят из металлического каркаса, внешняя плоскость которых выполнена поликарбонатом толщиной 3,5 мм.
В ходе экспериментов проводились измерения потока при изменении площади входа 52. Это достигалось уменьшением внешней плоскости шагом 20 см от основания согласно рис. 4.
Площадь выхода 51 постоянна и равна 290 см2. Результаты измерения сведены в табл. 1.
Рис. 3. Внешний вид опытных образцов конструкции ускорителя
Рис. 4. Площади входа S2 и выхода S1 на конструкции
Таблица 1
Результаты измерений ускорения потока при средней скорости 2,51 м/с, с различной площадью входа S2
Угол поворота а1рИа = 0 а!рИа=60 а1рИа=120
Вход Выход Вход Выход Вход Выход
При площади входа 52=1277 см2 (высота основания 20 см)
Средняя скорость, м/с 1,934 0,54 1,364 2,663 0,656 0,416
Ускорение в ... раз 0,279 1,952 0,635
При площади входа 52 = 2500 см2 (высота основания 40 см)
Средняя скорость, м/с 0,79 0,5 1,195 2,92 0,599 0,386
Ускорение в ... раз 0,634 2,443 0,644
При площади входа 52 = 3480 см2 (высота основания 60 см)
Средняя скорость, м/с 0,672 0,51 1,247 2,976 0,667 0,57
Ускорение в ... раз 0,759 2,385 0,856
При площади входа 52 = 4173 см2 (высота основания 80 см)
Средняя скорость, м/с 0,821 0,488 1,41 3,448 0,76 0,402
Ускорение в ... раз 0,595 2,444 0,529
При площади входа 52 = 5077 см2 (высота основания 100 см)
Средняя скорость, м/с 0,743 0,489 1,249 3,439 0,837 0,805
Ускорение в ... раз 0,656 2,754 0,961
На следующем этапе были проанализированы варианты использования дополнительных направляющих конструкций в теле конфузорного канала. Предложенные модификации так же были смоделированы и исследованы в программе ANSYS и экспериментально.
В ходе исследований изменялись параметры дополнительной плоскости 53 и определялась ее оптимальная форма. Также рассматривалась форма внешней грани конфузорного канала 54, изменялась ее высота и форма края (рис. 5).
В итоге было определено, что плавный вход потока достигается использованием именно спиралевидного канала. Было обосновано обязательное наличие дополнительной плоскости 53 в теле канала, для уменьшения смешивания и дополнитель-
ного трения потока об острые углы ограждающих конструкций конфузорного канала. Выход потока из плоскости 51 под углом создает дополнительный положительный эффект при захвате потока ве-троколесом и увеличивает скорость его вращения на 5-7 %.
Оптимальный угол поворота плоскостей основной конструкции (рис. 1) расположен в диапазоне 100-120°. Плоскость 53 имеет сложную форму, что повышает стоимость изготовления и эксплуатацию конструкции, но ее применение позволяет улучшить пропускную способность простого конфузор-ного канала (рис. 5) и повысить скорость потока на выходе из 51 на 15 %.
Итогами проведенных исследований стали следующие результаты:
Рис. 5. Варианты исполнения плоскостей S3 и S4
1. Проведены анализ и исследование шестило-пастных конструкций ускорителя потока.
2. Обоснована необходимость использования дополнительных плоскостей для подъема, стабилизации потока и увеличения ускорения.
3. Определена геометрия канала, позволяющая получить увеличение скорости на выходе в 2,75 раза.
4. Итоговое ускорение набегающего потока всех моделей составляет 30 — 52 %.
5. Наилучшей геометрией для применения ее в качестве ускорителя потока для ВЭУ с вертикальной осью вращения выявлена шестилопастная конструкция с поворотом верхней плоскости относительно центральной оси на угол 115°. Достигнутое увеличение скорости составляет 52 %, или увеличение мощности, вырабатываемой ВЭУ, в 3 раза.
Определено, что использование дополнительного ускорителя потока дополнительно к ВЭУ с вертикальной осью вращения позволяет эффективно использовать ВЭУ в регионах, где скорость ветра не превышает 5 м/с.
7. Пат. 2369772 Российская Федерация, МПК Б 03 Б 11/00, Р 03 Б 3/04. Выработка электроэнергии с размещением ве-трогенератора в вертикальном вытяжном воздушном канале в конструкции жилого здания / Тебуев В. В. № 2007126567/06; заявл. 12.07.07; опубл. 10.10.09, Бюл. № 28.
8. Пат. 2432493 Российская Федерация, МПК Р03Б 3/04. Карусельная ветряная турбина / Головенкин Е. Н., Холодков И. Х., Задорин В. И., Кесельман Г. Д. № 2009103375/06; заявл. 02.02.2009; опубл. 27.10.2011, Бюл. № 30.
9. Пат. 2422673 Российская Федерация, МПК Р03Б 3/06, Р03Б 3/04. Ветроэнергетики / Сигаев В. П. № 2010105075/06; заявл. 15.02.2010; опубл. 27.06.2011, Бюл. № 18.
10. Пат. 2403439 Российская Федерация, МПК Р03Б 9/00, Р03Б 3/04. Метод преобразования энергии ветра и устройства для ее реализации / Смолич Р., Буряк А., Буряк Д., Медведев Н. № 2008128194/06; заявл. 10.07.2008; опубл. 10.11.2010, Бюл. № 31.
11. Пат. 2399789 Российская Федерация, МПК Р03Б 3/04. Ветряная турбина / Ярыгин Л. А., Ермаков И. Г. № 2009117210/06; заявл. 05.05.2009; опубл. 20.09.2010, Бюл. № 26.
12. Пат. 2390654 Российская Федерация, МПК Р03Б 3/04. Ветроэлектростанция / Сигаев В. П. № 2009115533/06; заявл. 24.04.2009; опубл. 27.05.2010, Бюл. № 15.
13. Пат. 2386853 Российская Федерация, МПК Р03Б 3/04. Вихревая ветряная турбина / Коломацкий С. И., Коломац-кий Д. С., Коломак Е. С., Лебедев И. Г. № 2009104009/06; заявл. 09.02.2009; опубл. 20.04.2010, Бюл. № 11.
14. Пат. 2383775 Российская Федерация, МПК Р03Б 3/04. Ветротурбинный ротор / Эршов М. В., Стребков Д. С., Таны-гин В. В. № 2008125261/06; заявл. 24.06.2008; опубл. 10.03.2010, Бюл. № 7.
15. Тахо-Годи А. З. Концентратор воздушного потока для ветроэлектрической станции, управляемый следящей системой с контуром оптимального регулирования угла рас-трубности // Фундаментальные исследования. 2015. № 2 (14). С. 3056-3058.
Библиографический список
1. Безруких П. П., Безруких П. П. Ветроэнергетика. Вымыслы и факты. Ответы на 100 вопросов. М.: Ин-т устойчивого развития Общественной палаты Российской Федерации, Центр экологической политики России. 2011. 74 с. ISBN 5-88305-060-3.
2. Серебряков Р. А., Доржиев С. С., Базарова Е. Г. Современное состояние, проблемы и перспективы развития ветроэнергетики // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2016. №. 10 (1). С. 95-102.
3. Bubenchikov A. A., Bubenchikova T. V., Artamonova E. Yu., Shepelev A. O. Flow accelerator for wind power installations with the vertical rotation axis // Environment and electrical engineering and 2017 IEEE industrial and commercial power systems Europe (EEEIC/I&CPS Europe), June 6-9, 2017. Milan, 2017. P. 1-8. DOI: 10.1109/EEEIC.2017.7977402.
4. Доржиев С. С., Базарова Е. Г., Горинов К. А. ВЭУ с осевыми ускорителями ветрового потока // Инновации в сельском хозяйстве. 2015. № 3. С. 204-208.
5. Бубенчиков А. А., Бубенчикова Т. В., Еремин Е. Н., Харламов В. В. Исследование ускорителей воздушного потока башенного типа для ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения // Омский научный вестник. 2018. № 2 (158). С. 38-44. DOI: 10.25206/1813-8225-2018-158-38-44.
6. Пат. 2387871 Российская Федерация, МПК F 03 D 1/04. Ветроэнергетическая установка / Занегин Л. А., Петров Ю. Л., Шухинкова Е. Г. № 2008144736/06; заявл. 12.11.08; опубл. 27.04.10, Бюл. № 12.
БУБЕНЧИКОВ Антон Анатольевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий». SPIN-код: 4357-5273 AuthorlD (РИНЦ): 512777 ORCID: 0000-0002-2923-1123 AuthorlD (SCOPUS): 57188871772 ResearcherlD: D-7850-2014 Адрес для переписки: [email protected] БУБЕНЧИКОВА Татьяна Валерьевна, аспирантка кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».
AuthorlD (SCOPUS): 57190581588 Адрес для переписки: [email protected] КРОПОТИН Олег Витальевич, доктор технических наук, доцент (Россия), декан факультета довузовской подготовки, помощник проректора по учебной работе по профориентации. SPIN-код: 4218-4900 AuthorlD (РИНЦ): 118225 ORCID: 0000-0002-6620-9945 AuthorlD (SCOPUS): 6505835545 ResearcherID: H-4616-2013
СМОРОДИН Георгий Сергеевич, ассистент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий».
SPIN-код: 7481-6122 AuthorID (РИНЦ): 872737
ОЯСГО: 0000-0002-9020-0027
Адрес для переписки: [email protected]
ШЕПЕЛЕВА Елена Юрьевна, ассистент кафедры
«Электроснабжение промышленных предприятий».
БРНЧ-код: 2198-3042
АиШогГО (РИНЦ): 821672
ОЯСГО: 0000-0003-4908-560Х
Адрес для переписки: [email protected]
МАнАКоВА Елена Алексеевна, студентка группы
Э-151 энергетического института.
ЗАХАРоВ Андрей Андреевич, студент группы ЭТМ-
151 факультета транспорта нефти и газа.
Для цитирования
Бубенчиков А. А., Бубенчикова Т. В., Кропотин О. В., Смородин Г. С., Шепелева Е. Ю., Манакова Е. А., Захаров А. А. Ускоритель потока башенного типа для ветроэнергетической установки // Омский научный вестник. 2018. № 5 (161). С. 55-59. БОН 10.25206/1813-8225-2018-161-55-59.
Статья поступила в редакцию 02.04.2018 г. © А. А. Бубенчиков, Т. В. Бубенчикова, о. В. Кропотин, г. С. Смородин, Е. Ю. Шепелева, Е. А. Манакова, А. А. Захаров
УДК 621.548
РО!: 10.25206/1813-8225-2018-161-59-67
Л. Л. БУБЕНЧИКОВ Т. В. БУБЕНЧИКОВЛ к. в. хацевский Г. С. СМОРОДИН Е. Л. МЛНЛКОВЛ Л. Л. ПОГОРЕЛОВ И. Л. ГЛИБОВ
Омский государственный технический университет, г. Омск
ИССЛЕДОВЛНИЕ СПИРАЛЕОБРАЗНЫХ
УСКОРИТЕЛЕЙ ПОТОКЛ
ДЛЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТЛНОВОК С ВЕРТИКЛЛЬНОЙ
ОСЬЮ ВРЛЩЕНИЯ
ДЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
В статье проведен анализ применения простейших конструкций ускорителей воздушного потока для выявления наиболее перспективной геометрии для исследования. Определена наилучшая геометрия многолопастной конструкции для применения ее в качестве ускорителя потока для ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения. Определено максимальное ускорение потока и возможное увеличение мощности, вырабатываемой ветроэнергетической установкой. Достигнутое увеличение скорости составляет 52 %. Так как мощность зависит от скорости ветра в кубе, то такая конструкция позволит увеличить мощность, вырабатываемую ВЭУ, в три раза. Ключевые слова: ускорители потока для ветроэнергетических установок, спиралеобразные ускорители потока, концентрация энергии ветра.
Среди возобновляемых источников энергии одним из самых распространенных является ветроэнергетика. Рост ветроэнергетики в развитых странах, особенно в Европе, длительное время был обусловлен проблемой глобального изменения климата [1-3].
Ветровая энергетика является наиболее привлекательным решением мировых энергетических проблем. Она не загрязняет окружающую среду
и не зависит от топлива. Более того, ветровые ресурсы присутствуют в любой части мира и их достаточно, чтобы обеспечить растущий спрос на электроэнергию [4].
Однако для реализации выработки электроэнергии за счет энергии ветра в регионах с низкими скоростями ветрового потока применение классических ветроустановок не дает ожидаемых результатов [5], в связи с чем встает вопрос о про-
