CC BY
67
Information about the authors Ksenz Nickolay Vasilievich - Doctor of Technical Sciences, professor of the department of physics, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).
Phone: 8(86359) 43-7-94.
Popandopulo Konstantin Khristoforovich - Candidate of Technical Sciences, professor of the department of theoretical and applied mechanics, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 43-0-66.
Sorokin Boris Nickolaevich - Head of the administration of the Tselina district of the Rostov region. Phone: 8(86324) 40-4-45.
Sidortsov Ivan Georgievich - Candidate of Technical Sciences, senior lecturer of the department of physics, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).
Phone: 8(86359) 43-7-94.
УДК 621.311.245
ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА НА РАБОТУ КРЫЛЬЧАТЫХ ВЕТРОУСТАНОВОК
© 2010 г. С.М. Воронин, Л.В. Бабина
Теоретически исследованы потери мощности и вырабатываемой энергии при изменении направления ветра.
Получена зависимость времени установки на ветер от угла изменения направления ветра и его скорости. На основании полученной зависимости получен расчётный график мощности в период установки на новое направление ветра.
Ключевые слова, ветроустановка, направление ветра, потеря мощности, время установки на ветер, вырабатываемая энергия.
The article presents theoretical research of power loss and generated energy under the condition of wind direction changes.
The authors present the dependence of time installation on the angle of wind direction changes and its speed. On the basis the obtained dependence the calculated diagram of power during the installation on the new wind direction was received.
Key words: wind device, wind direction, power loss, time installation on the wind, generated power.
Крыльчатые ветроустановки с горизонтальной осью вращения обеспечивают стабильную мощность, снимаемую с вет-роколеса, при скорости ветра не меньше номинальной [1]. Однако практика использования автономных электростанций показывает, что реально вырабатываемая электроэнергия оказывается меньше расчетной, причем потери электроэнергии могут достигать 30%. Причиной этого является уменьшение мощности, а соответственно и
энергии, передаваемой ветроколесом при изменении направления ветра даже при достаточной его скорости. То есть ветроколе-со не может мгновенно переориентироваться на новое (изменившееся) направление ветра, и за период переориентации мощность, снимаемая с ветроколеса, уменьшается. Значительные потери энергии при переориентации требуют формализации этого процесса с целью последующего учета при проектировании ветроэлек-
тростанций и других ветроэнергетических установок.
При изменении направления ветра (рис. 1) удельная мощность ветрового по-
NВК1 = Си р ^'¡п^ВК =
где Ывко, МВК1 - мощность, снимаемая
с ветроколеса в начальном положении и сразу после изменения направления ветра, Вт;
См - коэффициент использования мощности ветра; р - плотность воздуха, кг/м3;
тока на ветроколесо уменьшается. При сохранении модуля скорости ветра, но при изменении его направления, мощность, снимаемая с ветроколеса, будет равна:
СН V0 $ВКСО а = СО ВК0 , (1)
\1П - модуль нормальной составляющей вектора скорости ветра после изменения направления, м/с;
\о - модуль скорости ветра, м/с;
ВК - ометаемая площадь ветроколеса, м2; а - угол изменения направления ветра,
рад.
2
Рис. 1. Изменение направления ветра:
1 - начальное положение ветроколеса; 2 - положение ветроколеса при новой ориентации
Под действием устройства установки на ветер ветроколесо будет разворачиваться и, в конце концов, займет новое положение (рис. 1), перпендикулярное новому направлению ветра. В процессе разворота угол а между направлением ветра и осью вращения ветроколеса будет уменьшаться, а мощность, снимаемая с ветроколеса, - увеличиваться. Следовательно, необходимо установить зависимость угла а от времени.
Сила, устанавливающая ветроколе с о в новое положение, зависит от способа установки на ветер. Известны следующие способы установки: при помощи флюгера, при помощи виндрозы и путем размещения ветроколеса за башней. Для малых ветро-электростанций (до 4 кВт) наиболее распространенным является способ установки на ветер путем его размещения за башней и при помощи флюгера.
Установка на ветер путем размещения ветроколеса за башней В случае установки ветроколеса за башней при изменении направления ветра появляется тангенциальная сила (рис. 2), которая и разворачивает его на новое направление ветра.
Уравнение движения ветроколеса под действием этой силы имеет вид
(р = ф0 +ЮТ + -
ЄГ
2
(2)
где ф - угол поворота ветроколеса вокруг башни за время т, град.;
фо - начальный угол между нормалью к ветроколесу и направлением ветра, рад;
ю - начальная угловая скорость поворота, рад/с;
8 - угловое ускорение поворота, рад/с2; т - время поворота, с.
Рис. 2. Силы, устанавливающие ветроколесо на ветер при его расположении за башней:
1 - башня ветроустановки; 2 - ось вращения ветроколеса; 3 - ветроколесо
Учитывая, что в начальный момент времени (перед изменением направления ветра) начальные параметры (2) равнялись нулю, зависимость угла а от времени будет иметь следующий вид:
а =а0 -
ex‘
2
(3)
где а0 - начальный угол изменения направления ветра, рад.
Угловое ускорение поворота ветроко-леса вокруг башни определяется по формуле
e =
FbîL
Jn '
(4)
где r - расстояние от ветроколеса до оси поворота вокруг башни, м;
Je - момент инерции ветроколеса относительно оси поворота вокруг башни,
2
кГ'М .
Для двухлопастного ветроколеса достаточно точно момент инерции можно определить, воспользовавшись теоремой Штейнера, представив его как длинный стержень. В этом случае момент инерции будет равен:
Je = 1mR2BK + mr2 , б
где m - масса ветроколеса, кг; RBK - радиус ветроколеса, м.
(5)
Силу ветра, действующую на ветро-колесо, можно определить следующим образом [1]:
рл:ЯВКЬу2 _ pлRВКV2
fb = mв-v.
B 2Ъ
2Ъ
(6)
2
где Ь - толщина сечения лопасти, м;
тв - масса воздуха, проходящего через ветроколесо, кг.
С учетом (6), (5), (4) получаем
а = а 0 -
2 2
p nRBKv rsin а 2 2m(-}RB,K + 2r2)
(7)
Полученное уравнение можно записать в следующем виде.
x = .
Здесь A = ■
а0 -а ' А sin а
pnR2BKV2r
(8)
2m( ß RBK + 2r )
параметры ветра и ветроустановки.
Установка на ветер путем применения флюгера
Флюгеры используются для установки на ветер ветроустановок малой мощности, не более 3 кВт. Силы, действующие на ветроколесо при флюгерной установке на
ветер, показаны на рисунке 3. Как следует из рисунка, разворачивающей силой в этом случае является нормальная составляющая. Легко показать, что ее вектор равен вектору тангенциальной составляющей при раз-
мещении ветроколеса за башней. Таким образом, полученные зависимости полностью пригодны и для описания процесса флюгерной установки на ветер.
р
е
т
е
РР
Б]
Рис. 3. Силы, устанавливающие ветроколесо на ветер при использовании флюгера:
1 - ветроколесо; 2 - башня ветроустановки; 3 - ось вращения ветроколеса; 4 - флюгер
Полученное уравнение (8) позволяет определить функцию изменения мощности от параметров ветра и ветроустановки (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость мощности, снимаемой с ветроколеса от времени при изменении направления ветра на 30о: скорость ветра 5,5 м/с, радиус ветроколеса 1 м, расстояние от ветроколеса до башни 0,25 м
Потеря энергии при каждой установке ветроколеса на ветер при таких параметрах составляет 3,5% от расчетной. При других параметрах ветра (большей скорости и меньшем изменении направления) потеря энергии будет меньше. Однако при частой смене направления ветра потери энергии могут достигать 30%, что объясняет причины несоответствия расчетных и реальных данных для автономных электростанций.
Следует отметить, что таких потерь можно избежать, если воспользоваться известными рекомендациями по размещению ветроустановок [1, 2], в частности, располагая их на берегу рек, в естественных ложбинах и на пути естественных концентраторов ветра. Однако для автономных потребителей такое размещение бывает до-
ступно крайне редко. В этом случае следует учитывать полученные зависимости при проектировании автономных ветроэлек-тростанций. Для учета этих зависимостей необходимо иметь данные не только о розе ветров и изменении скорости ветра, но и о частоте и продолжительности изменения его направления. Учитывая, что такие данные метеостанциями не предоставляются, актуальным становится моделирование процессов изменения направления ветра в реальном времени. При частой смене направления ветра роторные ветроустанов-ки с вертикальной осью вращения могут оказаться эффективнее крыльчатых ветро-установок с горизонтальной осью вращения несмотря на более низкий коэффициент использования мощности ветра.
Литература
1. Твайделл Дж., Уайр А. Возобновляемые источники энергии: пер. с англ. [Текст] / Дж. Твайделл, А. Уайр. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 392 с.
2. Воронин, С.М. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии [Текст] / С.М. Воронин. - Зерноград: ФГОУ ВПО АЧГАА, 2008. - 256 с.
Сведения об авторах Воронин Сергей Михайлович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Энергетика» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).
Тел. 8(86359) 42-4-00.
Бабина Любовь Витальевна - аспирантка кафедры «Энергетика» АзовоЧерноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).
Тел. 8(86359) 42-4-00.
Information about the authors Voronin Sergey Michailovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the department of energetic, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd).
Phone: 8(86359) 42-4-00.
Babina Lubov Vitalievna - post-graduate student of the department of energetic, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 42-4-00.
