CC BY
1УДК 621.3:621.22:620.91 DOI: 10.24412/2658-6703-2024-1-100-113
EDN: SILTNH
Ветроэнергетическая установка наземного базирования с жесткими парусами
12 Чекарев Константин Владимирович [0000-0002-5140-5142], 13Залиханов Алим Михайлович [0000-0002-2540-6045]
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва, Россия
E-mail: 2konstantintchekarev@yandex.ru, 3bulungu@yandex.ru
Аннотация. Современные ветроэнергетические установки большой мощности, преобразующие кинетическую энергию ветра в электроэнергию, из-за низкой плотности воздуха имеют огромные размеры. Это приводит к необходимости сооружать большие конструкции при использовании в традиционных ветроустановках 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 платформ с установленными на них парусами. С целью повышения эффективности преобразования ветрового потока была разработана система жестких парусов, которая устанавливалась на макет платформы. Для проведения исследований с такой системой парусов конструкция ряда систем экспериментальной установки была изменена: был разработан и создан генератор ветрового потока, обеспечивающий необходимое распределение скоростей в вертикальной плоскости, создана система изменения положения жестких парусов. Экспериментальные исследования показали работоспособность всех входящих в экспериментальную установку систем. Проводились эксперименты по определению величины скорости платформы при её движении с вариантами разработанной системы жестких парусов. Результаты исследований представлены в данной статье.
Ключевые слова: ветроэнергетика, возобновляемые источники энергии, ветровая установка, парусная энергетическая установка, жесткие паруса.
1 Введение
Использование кинетической энергии ветра в хозяйственной деятельности человека насчитывает много веков. Преобразователи энергии ветра в виде ветроко-леса 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 начиная с еще с Древнего Египта, Китая и др. (1), но это направление сухопутного транспорта развития не получило. В настоящее время перемещение объектов по земле с помощью парусов осуществляется только в спортивных целях. Создана ассоциация World Sailing, которая проводит соревнования сухопутных парусных яхт, фиксируются рекорды скорости парусных болидов (2,3).
С появлением «зеленой» энергетики, установки с преобразователем энергии в виде ветроколеса стали использоваться для производства электроэнергии. Они устанавливаются на суше, вблизи морского берега и на море. Ветроэнергетика является одной из самых быстроразвивающихся отраслей возобновляемой энергетики. В отчете The Global Wind Report 2022 года отмечается, что по суммарной установленной мощности, 2021 был рекордным - 94 ГВт (4). В большинстве действующих ветровых установках преобразование энергии ветрового потока в электричество 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 соответствующий грунт, чтобы выдерживать большой вес установки и ветровые нагрузки. Однако существует много областей с высоким ветровым потенциалом, в которых, из-за свойств грунтов, сооружать такие установки либо нельзя, либо экономически нецелесообразно. Одним из вариантов решения задачи использования ветроэнергетических установок в таких областях могут быть парусные энергетические установки наземного базирования.
2 Актуальность исследования и постановка цели
Предлагаются варианты парусных энергетических установок наземного базирования, позволяющих снять проблему больших размеров преобразователя энергии ветрового потока. Известен вариант конструкции парусной энергетической установка наземного базирования, содержащей платформы, соединенные в замкнутый состав, который движется по радиальному рельсовому пути (5). 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. Недостатком предложенной конструкции является то, что она может работать только при большом диаметре рельсового пути поскольку при малых диаметрах
наветренные паруса будут перекрывать расположенные за ними паруса, 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. Предложен вариант парусной энергетической установки, в которой платформы движутся циклично в заданном интервале перемещений (6). Чтобы обеспечить такое движение, в состав установки включена система изменения положения парусов и система управления движением платформ. Была создана экспериментальная установка для проведения исследований на макетах парусных платформ. Целью исследований было проверка функционирования входящих в установку элементов и разработка методик определения их технических характеристик. Экспериментальные исследования, результаты которых изложены в статье (6), показали работоспособность входящих в неё элементов, однако некоторые из них требуют усовершенствования. Например, входящий в состав экспериментальной установки генератор воздушного потока обеспечивает равномерность распределения скоростей по горизонтали, но имеет большую неравномерность по вертикали. В ходе проведения экспериментов отрабатывались методики измерения параметров, определяющих эффективность её работы. При движении платформы на неё действуют три силы: аэродинамическая сила ветрового потока, действующая на паруса, сила трения колес и сила сопротивлении, действующая на паруса в результате собственного движения платформы. Были разработаны методика определения величины этих сил путем нахождения скорости платформы при её движении с грузами разного веса (7). Проведено исследование по увеличению мощности установки за счет организации движения платформ по двум соседним путям, при этом использовалась система управления положением парусов через контактный рельс, моделирующая управление по сигналам GPS (9).
В процессе проведения экспериментов по определению величины действующих на платформу сил, выяснилось, что для получения точных значений, поверхность, по которой движется платформа, должна обладать рядом свойств: она должна быть ровной и строго горизонтальной. Эти условия могут быть выполнены, если платформа будет двигаться по эстакаде. Эксперименты с движением платформ по эстакаде были предусмотрены программой исследований, поскольку предполагалось, что парусные энергетические системы могут быть использованы в тех районах, в которых платформы не могут двигаться по поверхности земли в районах с сильно пересеченной местностью, неустойчивыми грунтами, например, в районах вечной мерзлоты, заболоченным, пескам и т.д. Были созданы две эстакады, на которых были проведены эксперименты по определению коэффициента эффективности преобразования энергии ветрового потока, включавшие метод измерения скоростей платформ с грузами разного веса (8). В дополнении к этому, был разработан метод прямого измерения величины силы воздействия ветрового потока на паруса платформы (9). Была также разработана система автоматического управления движением платформы через контактный
рельс, моделирующая управление движением реальных платформ (10). Задачей дальнейших исследований является поиск вариантов увеличения эффективности парусных ветроэнергетических установок. Этого можно достичь, например, за счет разработки более эффективной системы парусов, которая устанавливается на платформах. Известно, что устанавливаемые на морских судах жесткие паруса с изменяемым профилем крыла являются более эффективными по сравнению с традиционными парусами (11). Парус такого типа был установлен на сухопутных яхтах для достижения рекордных скоростей в 209 км/ час и 222 км/час (12). Последний рекорд был поставлен в декабре 2022 года чемпионом яхтенной гонки Кубок Америки 2021 года (13). В данном исследовании была поставлена задача разработать систему жестких парусов для установки на макете платформы ветроэнергетической установки наземного базирования и провести эксперименты. Для проведения таких исследований необходимо провести изменения в элементах экспериментальной установки, в частности, разработать конструкцию генератора ветрового потока, при котором установка такой системы парусов возможна. Необходимо также для такого типа парусов разработать систему изменения их положения.
3 Экспериментальная установка, методика проведения экспериментов
Экспериментальная установка включала генератор ветрового потока, макет платформы, на которой была установлена система жестких парусов, систему изменения положения парусов, систему управления движением платформ и направляющие системы, установленные на двух эстакадах. Изображение генератора ветрового потока и двух эстакад представлено на Рис.1. Поверхности для движения платформы по эстакадам были выполнены из пластиковых профилей прямоугольного сечения размером 25х16 мм, расположенных на расстоянии 145 мм друг от друга и отстоящих от горизонтальной плоскости на расстоянии 160 мм. В середине каждой эстакады был расположен направляющий рельс, выполненный из пластикового профиля квадратного сечения размером 12х12 мм, на котором была нанесена разметка с интервалом 10 см. Направляющие рельсы эстакад отстояли от генератора ветрового потока на расстояниях 50 см и 70 см. Генератор ветрового потока был выполнен в виде двух рядов электрических вытяжных вентиляторов в количестве 13 и 12 штук в нижнем и верхнем ряду соответственно. Вентиляторы были расположенных рядом друг с другом на рейках длиной 2 метра, разнесённых по вертикали на 8 см. Рейки крепились на двух стойках, высота которых подбиралась экспериментально таким образом, чтобы паруса оказывались в области равномерного распределения скоростей в вертикальной плоскости.
Рис. 1. Генератор ветрового потока и эстакады.
Экспериментальные исследования проводились на макете платформы из предыдущих серий экспериментов, на котором была установлена система жестких парусов. Изображение макета платформы с системой жестких парусов представлено на Рис. 2. К рамке основания платформы, выполненной в виде прямоугольника размером 22 см на 17 см крепились 4 пластмассовых колеса диаметром 40 мм. В середине платформы на высоте 30 мм от основания крепилась рейка длинной 24 см, на которой устанавливалась система жестких парусов, выполненная в виде двух вертикальных, пластиковых трубок диаметром 5 мм и высотой 30 см, отстоящих друг от друга на расстоянии 22 см, к которым крепилась прямоугольная рамка шириной 22 см и высотой 26 см, сделанная из тонкого пластикового уголка размером 6х6 мм. Нижняя сторона рамки находилась на расстоянии 10 см от поверхности, по которой двигалась платформа. В рамку, в зависимости от задачи эксперимента, вставлялся набор из 3-х, 4-х или 5 жестких полос высотой 25,5 см. В наборе из 3-х полос их ширина составляла 10 см, в наборе из 4-х полос - 8 см, а в наборе из 5 полос - 6 см. Общая площадь полос в каждом наборе составляла 768 см2, что было равно площади трех парусов, устанавливаемых на платформах в предыдущих экспериментах. Полосы вырезались из листа пенопо-листирола толщиной 3 мм. Полосы крепились к нижней и верхней стороне рамки так, чтобы они могли поворачиваться вокруг вертикальной оси, проходящей через середину полос. Поворот полос на заданный угол осуществлялся с помощью системы изменения положения жестких парусов, включавшей моторчик с редуктором, на оси которого была закреплена шестеренка, связанная с шестеренкой большего диаметра, закрепленной на вертикальной трубке диаметром 5 мм, в которую был вставлен горизонтальный рычаг. При вращении шестеренки моторчика, трубка с закрепленным на ней рычагом поворачивались на угол +/-90°, при этом с помощью рычага все установленные в рамке полосы также поворачивались одновременно на угол +/- 90 °. Это достигалось с помощью тонкой рейки, прикрепленной к нижнему углу каждой полосы подвижным
соединением. При повороте рычага на угол +/- 90 ° рейка перемещалась вправо или влево, поворачивая все полосы одновременно на угол +/- 90
Рис. 2. Макет платформы с системой жестких парусов.
Траектория движения платформ задавалось направляющей системой, которая включала расположенный на середине эстакад направляющий рельс и 4 колеса диаметром 15 мм, закрепленных по 2 на коротких сторонах рамки основания 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.
В состав экспериментальной установки входила система управления движением платформы, имитирующая автоматическое управление реальных платформ. Управление осуществлялось с помощью радиосигналов, которые подавались с пульта на установленный на платформе приемник, соединенный с системой изменения положения жестких парусов. По этому сигналу вставленные в рамку полоски жестких парусов меняли угловое положение.
При проведении экспериментов движение платформы снималось на видеокамеру. По полученным записям строились графики перемещения платформы в зависимости от времени, по которым определялась скорость движения платформы
4 Результаты экспериментов и обсуждение
Было проведено две серии экспериментов. Задачей первой серии экспериментов была проверка функционирования всех элементов экспериментальной установки, в том числе модернизированных. С помощью анемометра производилось измерение скоростей генератора воздушного потока (ГВП) в вертикальных плоскостях, отстоящих от него на расстоянии 50 см и 70 см. В горизонтальном направлении распределение скоростей оказалось равномерным. График распределения скоростей воздушного потока по вертикали представлено на Рис.3. Как видно из рисунка существует область с относительно равномерным распределением скоростей воздушного потока по вертикали. Высота полос в системе жестких парусов была выбрана такой, чтобы полосы находились в этой области. С этой же целью подбиралась высота стоек, на которой крепились ряды вентиляторов генератора ветрового потока.
см
Рис. 3. Распределение скоростей в вертикальных плоскостях, отстоящих от генератора ветрового потока на расстояниях 50 и 70 см. (графики на рисунке: 1 - 50 см; 2 - 70 см; пунктирная линия - положение пластин системы жестких парусов.
Для определения величины скорости платформы было сделано несколько пусков платформ с разным набором полос по эстакадам, отстоящим от ГВП на расстоянии 50см и 70 см. Угол поворота пластин во всех наборах системы жестких парусов составлял ±45° от направления ветра. На Рис.4 приведен график временной зависимости перемещений платформы с 4 полосами в зависимости от времени. Как видно их рисунка, на временном отрезке 1,4 с от начала движения скорость платформы увеличивается, а затем она начинает двигаться равномерно со скоростью У=61 см/с. График строился по видеозаписям, воспроизводимым на компьютере с большой точностью определения временных параметров, что позволяло строить график перемещений платформы с большой точностью.
80 60_40_20_0_20_40_60 80 см
\
\
\ \\ 1
N
2
3
4 l, с
Рис. 4. График временной зависимости перемещений платформы с парусной системой из
4 полос в ручном режиме.
С целью проверки функционирования системы изменения положения жестких парусов, была проведена серия экспериментов с перемещением платформы с 4 полосами по эстакадам при управлении ее движение с помощью радиосигналов.
На Рис.5 представлен график временной зависимости перемещений платформы с парусной системой из 4 полос в режиме радиоуправления. Как видно из рисунка, система изменения положения жестких парусов функционировала успешно. Полосы четко поворачивалась на угол 90°, после чего платформа начинала двигаться в противоположную сторону. Таким образом, результаты исследований первой серии показали, что все элементы экспериментальной установки работали нормально, включая модернизированные.
Рис. 5. График временной зависимости перемещений платформы с парусной системой из 4 полос в режиме радиоуправления.
Экспериментальным результатом, показывающим эффективность функционирования разработанной конструкции системы жестких парусов является график перемещения платформ в зависимости ог времени, представленный на Рис. 5. Как видно из графика, предложенная конструкция системы жестких парусов обеспечивает высокую скорость платформ и быстрое изменение их скорости при изменении направления движения платформ.
Была проведена вторая серия экспериментов, целью которой было проверка функционирования системы жестких парусов при нагрузке, которая моделировалась изменением силы трения, действующей на платформу. Для этого на платформу устанавливали грузы разной величины: 50 г, 100 г и 150 г. Эксперименты с грузами проводились для платформы с системой жестких парусов с набором из 3 пластин, 4 пластин и 5 пластин. Исследования проводились при движении платформы по эстакадам, отстоявшим от ГВП на расстоянии 50 см и 70 см. В таблицах 1А и 1Б представлены данные о величине скорости платформы с системой жестких парусов с набором из 3-х, 4-х и 5 пластин при её движении с грузами разного веса по эстакадам, отстоящим от ГВП на расстоянии 50 см и 70 см.
Таблицы 1А и 1Б. Скорости платформы с системой жестких парусов из наборов из 3-х, 4-х и 5-и пластин при её движении с грузами разного веса по эстакадам, отстоящим от ГВП на расстоянии 50 см и 70 см.
Таблица1А.
Расстояние от ГВП: 50 см ^\вес груза, г кол-во пластин 0 50 100 150
скорости платформы см/с 3 70 61 52 42
4 61 52 47 38
5 58 53 45 37
* Таблица 1Б. .
Расстояние от ГВП: 70 см ^^^ вес груза, г кол-во пластин^\ 0 50 100 150
скорости платформы см/с 3 65 55 45 40
4 60 50 41 36
5 57 48 40 34
Данные о величине скоростей платформы, приведенные в таблицах 1А и 1Б представлены на Рис.6 в виде графиков скоростей платформы с грузом разного веса при её движении по эстакадам, отстоящим от ГВП на расстоянии 50 см и 70 см. Как видно из таблицы и рисунка, скорости платформы с системой парусов из 3-х полос немного выше, чем при движении с системой парусов из 4-х и 5-и
полос. Скорости платформы при движении по эстакаде, отстоящей от ГВП на расстоянии 50 см несколько выше, чем скорости движения платформы по эстакаде, отстоящей от ГВП на расстоянии 70 см. Разница скоростей платформы объясняется небольшим отличием в распределении скоростей ветрового потока по вертикали при движении по этим эстакадам.
А)
Б)
Рис. 6. График скоростей платформы с грузами разного веса при движении по эстакадам, отстоящим от генератора ветрового потока на расстоянии А) - 50 см и Б) - 70 см. (на графике: 1 - платформа с парусной системой из 3 полос; 1 - платформа с парусной системой из 4 полос; 1 - платформа с парусной системой из 5 полос).
Методику определения скоростей с нагрузкой, моделируемой увеличением силы трения с помощью грузов, которые устанавливаются на платформу, можно использовать для определения величины сил, действующих на платформу, как это описано в статье (10), но в данной серии экспериментов задачей было отработка методики проведения экспериментов на макете платформы с системой жестких парусов, и для этой задачи использовались плоские пластины, а не система пластин с изменяющимся профилем, что является задачей последующих серий экспериментов.
5 Выводы
С целью повышения эффективности ветроэнергетической установкиназем-ного базирования разработана конструкция системы с жесткими парусами, которая была установлена на макете платформы ветроэнергетической установки. Варианты системы жестких парусов включали набор плоских пластин в количестве 3-х, 4-х и 5 экземпляров. Для проведения экспериментов с системой жестких парусов была разработана конструкция и изготовлен генератор ветрового потока, обеспечивающий достаточно равномерное распределение скоростей ветрового потока в вертикальном направлении. Для изменения направления движения платформы была разработана система изменения положения пластин для всех вариантов системы жестких парусов. С макетом платформы с системой жестких парусов поведены эксперименты по проверке функционирования всех входящих в состав экспериментальной установки систем. Эксперименты показали, что все системы экспериментальной установки работают нормально. Проведены эксперименты с движением макета платформы при управлении с помощью радиосигналов. Проведено исследование зависимости скорости макета платформы от величины нагрузки, которая моделировалась изменением величины действующей на платформу силы трения. Целью дальнейших исследований является проведение экспериментов с изменяющимся профилем жестких парусов и измерение технических характеристик эффективности ветроэнергетической установки наземного базирования с парусами данного типа.
Литература
1. https: //www.yachtrussia.com/articles/2016/10/21/articles_3 91.html
2. World Sailing - Wikipedia
3. World Sailing Organisation - Wikipedia
4. Global Wind Report 2021 https: //gwec.net/global-wind-report-2021/
5. Патент № 2125182 РФ, МПК F 03 D 5/04 / Ветроэнергетическая установка; № 96123627/06, заявл. 1996.12.16 / Цыбульников С.И. - заявитель и правообладатель.
6. 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/
7. Чекарев К. В., Залиханов А.М. Парусная энергетическая установка наземного базирования: определение величины сил, действующих на платформу // Окружающая среда и энерговедение: № 3 (15), 2022, сс. 67-79. http://jeees.ru/category/journal/2022-3/
8. Чекарев К.В., Залиханов А.М. Парусная энергетическая установка наземного базирования: определение коэффициента мощности//Окружающая среда и энерговедение // №1 (17), 2023, сс. 78-89. http://jeees.ru/category/journal/2023-1/
9. Чекарев К.В., Залиханов А.М. Парусная энергетическая установка наземного базирования: метод прямого измерения сил, действующих на платформу // Окружающая среда и энерговедение // №2 (18), 2023, сс. 49-61. http://jeees.ru/category/journal/2023-2/
10. Чекарев К.В., Залиханов А.М. Парусная энергетическая установка наземного базирования с автоматическим изменением направления движения//Окружающая среда и энерговедение// №4 (20), 2023. сс. 48-59. http://jeees.ru/category/journal/2023-4/
11. Wingsail - Wikipedia
12. Landsailing - Wikipedia
13. http://motor.ru/news/hprpnuku-12-12-2022.htm
References
1. https: //www.yachtrussia.com/articles/2016/10/21/articles_3 91.html
2. World Sailing - Wikipedia
3. World Sailing Organisation - Wikipedia
4. Global Wind Report 2021 https: //gwec.net/global-wind-report-2021/
5. 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 //
6. Chekarev K.V., Zalikhanov A.M. Parusnaya energeticheskaya ustanovka nazemnogo bazi-rovaniya // Okruzhayushchaya sreda I energovedenie. №2 (14), 2022. pp.77-90. http://jeees.ru/ /category/journal/2022-2/
7. Chekarev K.V., Zalikhanov A.M. Parusnaya energeticheskaya ustanovka nazemnogo bazi-rovaniya: nakhojdenie velichiny sil, deistvuiuschih na platformu // Okruzhayushchaya sreda I energovedenie. №3 (15), 2022. pp.67-79. http://jeees.ru/ /category/journal/2022-3/
8. Chekarev K.V., Zalikhanov A.M. Parusnaya energeticheskaya ustanovka nazemnogo bazi-rovaniya: opredelenie koeffitchienta effektivnosti. // Okruzhayushchaya sreda I energovedenie. №1 (17), 2023. S.78-89. http://jeees.ru/ /category/journal/2023-1/
9. Chekarev K.V., Zalikhanov A.M. Parusnaya energeticheskaya ustanovka nazemnogo bazi-rovaniya: metod priamogo izmerenia sil, deistvuiushih na na platformu. // Okruzhayushchaya sreda I energovedenie. №2 (18), 2023, pp. 49-61. http://jeees.ru/category/jour-nal/2023-2/
10. Chekarev K.V., Zalikhanov A.M. Parusnaya energeticheskaya ustanovka nazemnogo ba-zirovaniya s avtomaticheskim izmeneniem napravlenia dvizhenia.// Okruzhayushchaya sreda I energovedenie. №4 (20), 2023. pp. 48-59. http://jeees.ru/category/journal/2023-4/
11. Wingsail - Wikipedia
12. Landsailing - Wikipedia
13. http://motor.ru/news/hprpnuku-12-12-2022.htm
Land-Based Wind Power Plant With Rigid Sails
1,2Konstantin Chekarev, 1,3Alim Zalikhanov
'Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia
E-mail: 2konstantintchekarev@yandex.ru, 3bulungu@yandex.ru
Abstract. Modern high-power wind power plants that convert kinetic wind energy into electricity have huge dimensions due to the low air density. This leads to the need to build large structures when using wind wheels with a horizontal axis of rotation in traditional wind turbines. 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 eliminated. An experimental installation was developed and created to conduct research on mock-ups of platforms with sails mounted on them. In order to increase the efficiency of wind flow conversion, a rigid sail system was developed, which was installed on the layout of the platform. To conduct research with such a system of sails, the design of a number of systems of the experimental installation was changed: a wind flow generator was developed and created, providing the necessary distribution of speeds in the vertical plane, a system for changing the position of rigid sails was created. Experimental studies have shown the operability of all systems included in the experimental installation. Experiments were conducted to determine the speed of the platform during its movement with variants of the developed system of rigid sails. The research results are presented in this article.
Keywords: wind power, renewable energy sources, wind power plant, sail power plant, rigid sails.
