Проработки аэродинамических схем ветроэнергетической установки

4/2010 М1 ВЕСТНИК

ПРОРАБОТКИ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СХЕМ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

ELABORATION OF AERODYNAMIC SCHEMES WIND POWER

PLANT

A.B. Бунякин, O.O. Егорычев, O.A. Ковальчук, A.C. Белых A.V. Bunyakin, O.O. Yegorychev, O.A. Kovalchuk, A.S. Belykh

ГОУ ВПО МГСУ

В данной статье представлены проработки аэродинамических схем ветроэнергетической установки, которая позволит отбирать энергию ветра, предварительно преобразовав его в вихрь. Эти проработки позволят частично решить проблемы нерегулярности и распределенности потока ветра.

This article presents the elaboration of schemes of aerodynamic wind power plant, which will select the wind energy, first convert it into a vortex. This elaboration will partially solve problems of irregularity and distribution of windflow.

Ветроэнергетика является перспективным, на данном этапе развития энергетической отрасли, вложением средств, получаемых от разработки месторождений углеводородного топлива [1]. Уменьшающиеся год от года запасы традиционных за последние столетия энергоносителей (уголь, нефть, газ, горючие сланцы), приводят к необходимости поиска новых источников, и даже нефтяные и газовые компании, понимая эту необходимость, вкладывают существенные средства в ветроэнергетические проекты. Говоря об особенностях России, надо учесть, что это большая территория, значительная часть из которой можно считать малоосвоенной, и она является «стратегическим запасом» в смысле развития ветроэнергетики, так как для эффективности работы установок, преобразующих энергию ветрового потока в полезные формы, требуется, чтобы расстояние между установками были не менее чем определенное значение. Ветроэнергетика в отличие от других источников энергии обладает двумя основными особенностями - это «распределенность и нерегулярность» поступления энергии на установках при ее отборе от ветрового потока. Распределенность - это свойство, заключающееся в том, что нельзя получить мощность энергетического отбора на одной ветроэнергетической установке, сравнимую с мощностью даже средней электростанции. Мощность (мгновенный отбор полезной энергии) получается, как правило, меньше (а иногда больше), чем нужно, а поэтому требуется решать проблемы, связанные с аккумуляцией и трансформацией отбираемой энергии. Эти проблемы являются, как правило, чисто инженерными, но иногда возникает необходимость постановки и принципиально новых задач. Нерегулярность отбора энергии связано с тем, что условия работы установки создаются не искусственно, а сильно зависят от погодных условий и особенностей местности.

В связи с вышесказанным ясно, что значительная часть проблем, которые возникают при реализации ветроэнергетических проектов, связаны с тем, что отобранную энергию надо не только преобразовать в формы, приемлемые для потребления (на бытовые и промышленные нужды), но еще и доставить до потребителя. Самым лучшим

инженерным решением в этом смысле является приближение источников энергии к потребителям, однако, в случае отбора энергии от ветрового потока такое простое решение порождает другие проблемы. Главное - это шумовое воздействие от ветроэнергетических установок в инфразвуковом диапазоне. Эта проблема наименее проработана при реализации традиционных аэродинамических схем «ветряков». Рассматриваемая в статье аэродинамическая схема является как раз нетрадиционной, направленной на преодоление тех проблем, которые возникают в обычных ветроэнергетических установках именно в смысле возможных потерь энергии, преобразующейся в звуковые колебания инфразвукового диапазона, однако, как обычно бывает в подобных случаях, уход от одних проблем приводит к другим.

Энергия, которая отбирается от воздушного потока, неминуемо преобразуется в различные формы воздействия на строительные сооружения, во-первых - это нагрузки на упруго деформирующиеся элементы конструкций зданий, во-вторых, эта энергия «срывается» в турбулентный поток в виде крупномасштабных вихрей (вихревой след). Третьей формой, в которую переходит энергия ветра, является звук (в широком спектре частот - от инфразвука до ультразвука). Все перечисленные формы энергии являются разрушительными для сооружения и неблагоприятными для людей.

Основная задача строительной ветроэнергетики - это разработка таких конструкций, способов их функционирования, технологий монтажа и демонтажа, которые призваны отбирать энергию от ветрового потока, обтекающего здание, переводить ее в полезные формы, уменьшая при этом разрушительное воздействие.

Новый подход к отбору энергии

В данной статье представлены проработки аэродинамических схем основными принципами построения, которых являются следующие:

- Комплекс строительных сооружений

- Со всех сторон комплекса зданий должны быть зазо-, ры между зданиями, по которым поток проникает во внут-

/ V ренне пространство.

/ \ С наветренной стороны (обращенной навстречу набе-

/ V гающему потоку ветра) сквозь зазоры воздушный поток

входит внутрь, а с подветренной стороны сквозь аналогич---" М ные зазоРы воздух выпускается наружу, при этом образуется вдув потока в область образования вихревого следа (в череду нестационарных вихрей за всем комплексом зданий), как известно, вдув нарушает симметрию и уменьшает общий размер отрывной зоны.

Зазоры могут иметь такую форму, что поток во внут-1 реннем пространстве комплекса зданий закручивается, на-

пример, против часовой стрелки (см. рис. 2 - без купола), если смотреть сверху.

Описанная схема выглядит, как самостоятельно регулирующаяся, однако для выбора оптимального режима может потребоваться активное управление потоками входящими и выходящими во внутреннее пространство. Система управления этими потоками представляет собой совокупность заслонок, поворотом которых можно изменять сопротивления на входных и выходных зазорах, устанавливая требуемые расходы воздуха.

4/2010

ВЕСТНИК _МГСУ

Рис. 3

Рис. 2

Пока можно сказать, что с учетом активного управления потоками форма зазоров не обязана быть ориентированной на закрутку потока в ту или иную сторону (рис. 2), а зазоры могут быть и прямыми (рис 3). Прямые зазоры, возможно, более подходят с точки зрения архитектуры и внутренней планировки зданий, но они приведут к необходимости установки заслонок системы управления потоками по внешнему и внутреннему контурам (окружностям) зданий, и это, безусловно, увеличит сопротивление потокам.

Вопрос о выборе схемы с ориентацией закрутки является предметом исследования в каждом конкретном случае. Это зависит от рельефа местности, требований заказчика строительного проекта и т.п., хотя в самом общем плане надо отметить, что в северном полушарии следует делать закрутку по часовой стрелке, а в южном - наоборот (при взгляде сверху, см. рис. 3).

Объясняется это тем, что даже при отсутствии ветра эффект закрутки будет работать в северном, полушарии именно по часовой стрелке по причине вращения планеты (в северном полушарии все вращается против часовой стрелки при взгляде на поверхность сверху). Возможно, описанный эффект не будет заметно проявляться на фоне ветровой закрутки, хотя объем воздуха, поставляемый внутрь за счет тепловой вытяжки может быть не малым, но программа исследований (с учетом специфических требований заказчика) должна включать в себя и это.

Описанная аэродинамическая схема (комплекс зданий в натуральную величину) представляет собой достаточно грандиозное сооружение. Принимая условно размеры цилиндрической части (высота и диаметр по внешнему контуру) порядка 100 м, необходимо учесть, что и высота купола должна быть того же порядка, иначе не произойдет требуемой «концентрации вращения потока в вихревой жгут» [2]. Другими словами, иначе может сильно нарушиться структура течения под куполом - его близость к идеальному вихрю (со спиралевидными траекториями, близкими к окружностям, с вертикальной составляющей вихря близкой к константе).

Ветровая турбина монтируется на вершине конического купола и представляет собой четырех или шести лопастной «винт».

Поскольку в вершине купола вихрь будет обладать максимальной скоростью движения потока в окружном направлении, а не в вертикальном, то отбор энергии от вихря будет производится при помощи специальной турбины форма которой имеет качественные признаки, аналогичные показанным на рисунках 4, 5 (случай четырех

лопастей). Монтаж ветровой турбины на вершину конического купола производится внутри цилиндрической оболочки с минимально возможными зазорами, которые обеспечат ее вращение с учетом возможных усталостных и тепловых деформаций.

Рис. 4 Рис. 5

Конструктивно ветровая турбина может быть выполнена из основных ребер жесткости, ортогональных ее оси, скрепленных между собой более тонкими промежуточными ребрами, ориентированными тангенциально (по касательной к окружностям вращения) или с другими углами к основным ребрам. Поверхность лопастей в зависимости от ее размера состоит либо из трапециидальных частей, крепящихся к основным ребрам, либо (при большем размере) из треугольных частей, крепящихся к основным и промежуточным ребрам.

Устройство отбора энергии от вала ветровой турбины на рисунках не показано ввиду того, что оно может иметь различное конструктивное исполнение, это зависит от размеров турбины, которые непосредственно связаны с моментом силы на валу. Также важен диапазон частот вращения, который связан как с размерами, так и с параметрами воздушного потока во входном сечении.

Представленная в данной статье ветроэнергетическая установка обладает рядом преимуществ:

• Независимость мощности энергии отбираемой от вихря от направления движения ветра.

• Устойчивость вихря к резким порывам ветра.

• Отбор достаточно большого количества энергии при сравнительно низкой скорости набегающего потока. По предварительным подсчетам, при размерах сооружения в плане (диаметр) 100 м, при высотах цилиндрической и конической частей также порядка 100 м, при средней скорости набегающего потока порядка 5 м/с, такая установка будет выдавать полезную мощность порядка 1,5 МВт.

Заключение

Сила ветра может стать надежным источником энергии. Основной проблемой ветроэнергетики является непредсказуемость погоды. Именно по этой причине ветряки выдают обычно 0,2 той энергии, которую они выдавали бы, работая без выходных, круглосуточно [5]. Разработка ветряков способных работать бесперебойно в условиях быстрой изменчивости направления ветра, это весьма сложная задача. Представленные в статье проработки аэродинамических схем, частично позволяют решить проблемы нерегулярности и распределенности потока ветра. Сможем ли мы с еще большей эффективностью использовать энергию ветра - покажет будущее. Но вполне возможно, что этот путь поможет человечеству решить сложнейшие энергетические проблемы [6].

4/2010 М1 ВЕСТНИК

Литература

1. Журнал «Нефть России» 2008, № 7.

2. Бунякин А.В. Ламинарный пограничный слой при обтекании крылового профиля с круговой выемкой // Изв. РАН «Механика жидкости и газа» №2, 1998 г.

3. Дорошенко С.А., Серебреникова А.В. Применение моделей турбулентности, основанных на решении осредненных уравнений Рейнольдса для численного моделирования задач обтекания зданий. В мире научных открытий, 2010, №4 (10), Часть 13.

4. Попов Д.Н., Панаиотти С.С., Рябинин М.В. Гидромеханика. Издательство МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2002 г.

5. Журнал «Популярная механика» 2010 № 8.

6. Журнал «Директор» 2008 № 8.

7. Isaev S.A., Leontev A.I., Frolov DP. «Identification of self-organizing by the numerical simulation of laminar three-dimensional flow around a crater on a plane by a flow of viscous incompressible fluid.» Technical physics letters. V.24, Issue 3, pp 209-211, Mart 1998.

8. Исаев C.A., Судаков А.Г., Баранов П.А., Усачов А.Е., Стрижак С.В., Лоханский Я.К., Гувернюк С.В. «Разработка, верификация и применение основанного на многоблочных вычислительных технологиях распараллеленного пакета открытого типа VP2/3 для решения фундаментальных, прикладных и эксплуатационных задач аэромеханики и теплофизики», Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Математическое моделирование и программирование. 2009. Т. 150. № 17. С. 59-72.

Literature

1. Zhurnal «Neft' Rossii» 2008, № 7.

2. Bunjakin A.V. Laminarnyj pogranichnyj sloj pri obtekanii krylovogo profilja s krugovoj vyemkoj // Izv. RAN «Mehanika zhidkosti i gaza» №2, 1998 g.

3. Doroshenko S.A., Serebrenikova A.V. Primenenie modelej turbulentnosti, osnovannyh na reshenii osrednennyh uravnenij Rejnol'dsa dlja chislennogo modelirovanija zadach obtekanija zdanij. V mire nauchnyh otkrytij, 2010, №4 (10), Chast' 13.

4. Popov D.N., Panaiotti S.S., Rjabinin M.V. Gidromehanika. Izdatel'stvo MGTU imeni N.Je. Baumana, 2002 g.

5. Zhurnal «Populjarnaja mehanika» 2010 № 8.

6. Zhurnal «Direktor» 2008 № 8.

7. Isaev S.A., Leontev A.I., Frolov DP. «Identification of self-organizing by the numerical simulation of laminar three-dimensional flow around a crater on a plane by a flow of viscous incompressible fluid.» Technical physics letters. V.24, Issue 3, pp 209-211, Mart 1998.

8. Isaev S.A., Sudakov A.G., Baranov P.A., Usachev A.E., Strizhak S.V., Lohanskii Ya.K., Gu-vernyuk S.V. «Development, Verification and application-based multiblock computational technologies parallelized package open-VP2 / 3 for basic, applied and operational objectives of Aeromechanics and Thermophysics», Journal of South-Ural State University. Series: Mathematical Modeling and Programming. 2009. V. 150. № 17. pp. 59-72.

Ключевые слова: аэродинамический, ветроэнергетический, отбор энергии, ветровой поток, вихрь, набегающий поток, комплекс зданий, ветровая турбина, конический купол, мощность

Key words:Aerodinamic, wind power, energy extraction, wind flow, vortex, incoming flow, complex of buildings, wind turbine, conical dome, power

129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, ГОУ ВПО МГСУ Бунякин Алексей Вадимович: e-mail: alex.bunyakin@mail.ru Егорычев Олег Олегович: e-mail: misi@mgsu.ru Ковальчук Олег Александрович: тел. 8 (495) 780-48-35, e-mail: ifo@mgsu.ru Белых Александр Сергеевич: тел.: 8-926-185-28-22, e-mail: zimovchanin@gmail.com

Рецензент: Мондрус Владимир Львович, зав. кафедрой Строительной механики, д.т.н., профессор ГОУ ВПО МГСУ