Пути повышения коэффициента использования энергии ветра вертикально-осевого ветроколеса с лопастями, работающими по принципу дифференциации лобового сопротивления

АННОТАЦИЯ

Определены направления повышения энергоэффективности вертикально-осевого ветроколеса ветроэнергетических установок с лопастями, работающими по принципу дифференциации возникающих на их поверхностях давлений путем преобразования формы лопастей и внесения изменений и дополнительных элементов в существующую классическую конструкцию вертикально-осевого ветроколеса.

ABSTRACT

Further possible directions of increasing the energy efficiency of a vertically axial wind wheel of wind turbines with blades operating on the principle of differentiating the pressures arising on their surfaces by transforming the shape of the blades and making changes and additional elements to the existing classic design of a vertical axial wind wheel are identified.

Ключевые слова: ротор ветроколеса, лопасти, коэффициент использования энергии ветра, концентратор потока, магнитная опора.

Keywords: wind wheel rotor, blades, wind energy utilization factor, flow concentrator, magnetic support.

Используемые в настоящее время ветроэнергетические установки (ВЭУ) делятся на горизонтально- (ГО) и вертикально-осевые (ВО). ВО начали широко использоваться с 1980-х годов [7]. К преимуществам ВО по сравнению с ГО можно отнести: отсутствие необходимости в дополнительных механизмах ориентации на ветер; за счет вертикального расположения главного вала приводное оборудование может быть расположено на уровне земли [8].

Лопасти, используемые в конструкциях ВО ВЭУ, делятся на два типа: 1 – вращающиеся за счет разности (дифференциации) лобового сопротивления и 2 – вращающиеся за счет подъемной силы, возникающей на поверхности лопастей. Основным недостатком лопастей второго типа является невозможность самозапуска, поэтому их часто используют в комбинированных конструкциях с лопастями первого типа, т.к. основным их преимуществом является возможность самозапуска при малых скоростях ветра, низкий уровень шумов и вибраций, низкая стоимость, простота конструкции [3, 8], по сравнению с ГО ветроколесом, что в совокупности накладывается и на стоимость вырабатываемой единицы электроэнергии. Лопасти первого типа также обладают и существенным недостатком – малым коэффициентом использования энергии ветра, не более 0,24 [2].

Целью работы является определение путей повышение коэффициента использования энергии ветра ВО ветроколеса, с использованием лопастей первого типа, при его взаимодействии с низкоскоростными ветровыми потоками.

Большинство ВЭУ вырабатывают заявленную производителем мощность при скоростях ветра от 10м/с. Скорость ветра практически всей центральной России не превышает 5 м/с [1]. Отсюда актуальным становится вопрос использования низкоскоростных или низкопотенциальных ветровых потоков. Необходимо учитывать, что приводимые данные наблюдений и расчетов среднегодовых скоростей ветра ограничены локальными областями базирования метеостанций и производятся, как правило, на высоте 10 метров. С учетом этого факта реальные показатели среднегодовых скоростей ветра является многофакторной величиной и бывают, как правило, ниже приводимых в отчетах о наблюдениях, поэтому реальный ветроскоростной ориентир, при проведении исследований, должен быть ниже своих среднегодовых показателей.

Для проведения исследований была использована низкоскоростная аэродинамическая труба (АТ) в которую устанавливалась модель ротора ветроколеса. Средний диапазон используемых для проведения экспериментов скоростей составил V_∞=2м/с.

Основные элементы используемой в опытах модели ротора ветроколеса изображены на Рис.1.

Рисунок 1. Ротор ветроколеса

Ротор ветроколеса состоит из вала 1 и жестко связанных с ним верхнего 2 и нижнего 3 торцевых дисков, между которыми закреплены лопасти 4. Наружными кольцами подшипники 7 и 8 закреплены в подшипниковых корпусах 5 и 6 и внутренними кольцами посажены на вал 1.

Достижение поставленной цели было разбито на два этапа:

1. Уменьшение механических потерь.
2. Уменьшение аэродинамических потерь.

Уменьшение механических потерь было реализовано за счет использования в конструкции ротора ветроколеса магнитной опоры (на Рис.1 не отображена) по принципу, описанному в [4], сущность которого заключается в установке одноименными полюсами друг напротив друга, на нижней подвижной 3 и неподвижной (на Рис.1 не отображена) частях конструкции ветроколеса, двух магнитных поясов, разгружающих подшипники 7 и 8 от радиальной составляющей нагрузки.

Для выявления эффективности магнитной опоры, были проведены, при прочих равных условиях, испытания ротора ветроколеса, в которых магнитные пояса и радиальный подшипник 8 заменялись опорным подшипником. В результате, с опорным подшипником, ротор ветроколеса начинал свою работу только при достигаемой скорости в АТ V_∞=2,2м/с, при этом средний показатель частоты вращения для данной скорости потока составил 45 мин^-1. Для сравнения, достигаемый эффект от использования магнитной опоры при V_∞=2м/с превысил этот показатель более чем в пять раз и составил величину 220-230 мин^-1.

Уменьшение доли аэродинамических потерь рассматривалось с точки зрения, как формы лопастей, так и изучения влияния различных дополнительных конструктивных элементов, встраиваемых в систему ротора ветроколеса и способствующих изменению его аэродинамических параметров.

В качестве базовой формы лопастей нами были взяты лопасти Савониуса, право на изобретение которых принадлежит братьям Ворониным (патент SU_1654_A1 от 02.10.1924). По нашему мнению, принцип работы воздушного потока, заложенный в данных лопастях, является наиболее удачным. На Рис.2 представлена схема движения потока в роторе Савониуса.

Рисунок 2. Схема воздушного потока в роторе Савониуса

Основная идея заключается в перетекании набегающего на ротор потока из внутренней части лопасти, создающей полезную работу, во внутреннюю часть противолежащей лопасти. Известно, что при вращении ротора перед наветренной частью лопасти, на участке ее траектории при движении навстречу набегающему потоку, давление повышается, а на заветренной (внутренней) понижается. Одним из немаловажных факторов уменьшения силы лобового сопротивления любого тела, движущегося в воздушном потоке, является уменьшение разности давлений между наветренной и заветренной частями, поэтому набегающий поток, благодаря осевому зазору, направляясь во внутреннюю часть противоположно направленной лопасти, в область пониженного давления, оказывает на противоположную лопасть не только вторичное воздействие, как указывается во многих источниках, но и уменьшает величину перепада давления между наветренной и заветренной частями лопасти движущейся навстречу потоку. Как показали эксперименты, отсутствие межосевого зазора, его частичное затенение или отклонение его размера от оптимального диапазона, подбираемого экспериментально, приводит к падению частоты вращения ротора минимум на 15%.

Отрицательное влияние на частоту вращения ротора также оказали различные дополнительные вертикальные и горизонтальные аэродинамические и конструктивные элементы, которые устанавливались в непосредственной близости на роторе или закреплялись непосредственно как на наружных, так и внутренних стенках лопастей с целью улучшения условий обтекания или перенаправления воздушного потока. Все они стали источником дополнительного сопротивления, затеняющими и ухудшающими условия обтекания лопастей набегающим потоком, что привело к замедлению вращения ротора в целом. Отрицательный результат показала различная форма и направление перфорации наружных кромок лопастей или их выпуклой части с изготовлением лопастей с двойными стенками имевшим конечной целью уменьшение их общего лобового сопротивления путем отвода части набегающего потока во внутренние сквозные полости лопастей с целью создания дополнительной реактивной струи по периметру ротора использующей энергию основного течения и направленной на предупреждение отрыва посредством придания пограничному слою дополнительной энергии.

В соответствии с проведенными выше экспериментами был сделан вывод, что повышение эффективности лопастей, выражающейся в увеличении числа оборотов ротора ветроколеса, может быть достигнуто только сплошной формой лопасти, с плавными переходами обеспечивающие ее безотрывное обтекание набегающим воздушным потоком.

Результатом дальнейшей работы стал патент на ротор ветроколеса [5] с параболической формой лопастей, который по числу оборотов, по сравнению с ротором Савониуса, показал результат на 8÷12% выше (при сравнении лопастей использовалась магнитная опора).

Экспериментально выявлено, что на число оборотов ротора ветроколеса существенное влияние оказывает наличие или отсутствие торцевых дисков 2 и 3 (Рис.1) и безразмерная величина, выражаемая соотношением диаметра торцевых дисков D₀ к диаметру установки лопастей D (Рис.3). При установке торцевых дисков с соотношением D₀/D=1, число оборотов ветроколеса возрастает в среднем на 25-30%, по сравнению показателем частоты вращения при их отсутствии. Это объясняется уменьшением доли концевых потерь возникающих из-за образования вихрей сходящих с концов лопастей вследствие вторичного перетекания потока, возникающего из-за перепада давлений на их наветренной и заветренной частях. Установка торцевых дисков также способствует улучшению условий перетекания воздушного потока внутри ротора ветроколеса согласно Рис.2. Увеличение безразмерного параметра, в диапазоне D₀/D=1,04÷1,12, повышает число оборотов ветроколеса, по сравнению с D₀/D=1, в среднем еще на 7-10%. Дальнейшее повышение параметра до D₀/D≥1,2 приводит к снижению числа оборотов ветроколеса.

Рисунок 3. Диаметры установки лопастей и торцевых дисков испытываемого ротора ветроколеса

В процессе проведения исследований была решена задача дальнейшего увеличения числа оборотов ротора ветроколеса путем встраивания в его систему концентратора ветрового потока, сущность которого описана в патенте [6]. Экспериментально было установлено, что любое тело или плоскость, помещенные вблизи работающего ротора ветроколеса, как правило, ухудшают его аэродинамические показатели, вследствие внесения возмущений в возникающие на его противоположных сторонах, по аналогии с полем скоростей вращающегося в воздушном потоке цилиндра, зонах высокого и низкого давлений. Соответственно конструктивные элементы ротора ветроколеса в виде экранов, расположенных в непосредственной близости от ротора ветроколеса, например, патент RU_2537666_C1 от 25.06.2013, будут замедлять вращение ротора. Исключением стала установка, с наветренной стороны ветроколеса, концентратора потока, выполненного в виде вытянутого на всю высоту ротора профиля в поперечном сечении представляющего из себя равнобедренный треугольник без основания и острой своей частью направленного навстречу набегающему потоку. Использование концентратора позволило увеличить число оборотов ротора ветроколеса еще на 8÷10%.

Итогом второго этапа стало суммарное увеличении эффективности работы ветроколеса минимум на 40%.

Выводы. Исходя из полученных результатов исследований можно сделать вывод, что вертикально-осевое ветроколесо обладает большим исследовательским, экономическим и эксплуатационным потенциалом и может конкурировать по коэффициенту использования энергии ветра с горизонтально-осевыми и при этом обладать существенным преимуществом как по стоимости, возможности интеграции с другими системами, простоте конструкции, низком уровне шумов и вибраций, так и в плане использования низкопотенциальных ветровых потоков характерных для центральной части России. Полученные результаты не являются конечными и могут быть улучшены путем дальнейшего исследования.

Список литературы:
1. Бубенчиков А. А., Бубенчикова Т. В. Оценка применения ветроколес без нагрузки в теле ускорителя потока для ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения//Омский научный вестник. 2018. № 2 (158). С.33-37.
2. Воронин С.М., Бабина Л.В. Анализ автономных ветроэлектростанций // Вестник аграрной науки Дона. - 2010. - Вып.1. - С.15-19.
3. Дробинский А. В., Кадкин А. Г. Сравнительная оценка эффективности вертикально-осевых и горизонтально-пропеллерных ветроэнергетических установок. Вестник Инновационного Евразийского Университета, 2012. С. 15-19.
4. Опоры осей и валов машин и приборов. Спицын Н.А. и др. Изд-во «Машиностроение», 1970. 520 стр. Табл. 99. Илл. 248. Библ. назв. 134.
5. Ротор ветроколеса: пат. 192838U1 Рос. Федерация: МПК F03D 3/06 /Д.Д. Закиев, А.Н. Маргин, Н.А. Крутских, С.Я. Алибеков, А.А. Маргина; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Поволжский гос. технологический университет. - №2019119022; заявл. 19.06.2019; опубл. 02.10.2019, Бюл. №28. – 9 с. : ил.
6. Ротор ветроколеса: пат. 193931U1 Рос. Федерация: МПК F03D 3/04/06 F03D 7/06 /Д.Д. Закиев, А.Н. Маргин, Н.А. Крутских, С.Я. Алибеков, А.А. Маргина; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО Поволжский гос. технологический университет. - №2019127792; заявл. 04.09.2019; опубл. 21.11.2019, Бюл. №33. – 9 с. : ил.
7. Харитонов В. П. Автономные ветроэлектрические установки. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006. 280 с.
8. Шишкин Н. Д., Ильин Р. А. Анализ направлений повышения конкурентоспособности конструкций энергоэффективных ВЭУ различных типов // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. 2017. № 2 (64). С. 42–50.