Ветроэнергетическая установка со спиральными лопастями для малой ветроэнергетики

К ЗАЩИТЕ ДИССЕРТАЦИЙ

I

УДК 621.548

ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА СО СПИРАЛЬНЫМИ ЛОПАСТЯМИ ДЛЯ МАЛОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

Е.Н. БЫКОВ, В.В. ЕЛИСТРАТОВ

Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет

Представлено описание новой ветроэнергетической установки, ее конструкция и принцип работы. Описана методика аэродинамических и энергетических исследования данной установки, представлены результаты и их анализ. Также представлены ее основные достоинства и место в классификации ветроэнергетических установок.

Сегодня во всем мире наблюдается интенсивный рост мощности возобновляемой энергетики. В различных странах, независимо от их размеров, географического положения, экономического состояния и ресурсной базы энергетики, немаловажным фактором ее опережающего развития являются экологические преимущества возобновляемых источников 1. Постоянно развивающиеся технологии установок на основе ВИЭ, а также отсутствие эмиссии парниковых газов. 2. Происходит выравнивание стоимости энергии

традиционных источников и ВИЭ, прежде всего в связи с ужесточением экологических требований; повышением стоимости энергии традиционных электростанций, особенно угольных; снижением стоимости оборудования возобновляемой энергетики за счет технологического совершенства.

Одним из наиболее динамично развивающихся видов ВИЭ является ветроэнергетика. За последние годы удалось достичь определенных успехов в создании и практическом использовании соответствующего оборудования, снизить себестоимость получаемой на ветроэнергетических установках энергии [1].

В настоящее время имеется широкий класс потребителей, который использует для обеспечения своих энергонужд ветроэнергетические установки мощностью менее 5 кВт, которые можно классифицировать как микро ВЭУ. Данные установки могут стать как составляющей комплексного источника энергоснабжения, так и основой энергетики дачных участков, небольших фермерских хозяйств, метеорологических постов, туристических лагерей, различной осветительной техники на нефтяных вышках, маяках, автострадах и т.д. ВЭУ данного класса просты и дешевы в эксплуатации, транспортировке, монтаже и ремонте.

Одной из таких установок является запатентованная [2], изготовленная и испытанная в СПбГПУ микро ВЭУ со спиральными лопастями. Она оснащена принципиально новой лопастной системой, преобразующей энергию ветра не в плоскости, а в ометаемом объеме.

Целью разработки является создание ВЭУ, обладающей высоким коэффициентом использования ветровой энергии потока и эстетической конструкцией.

Ветровоспринимающие части ВЭУ состоят из двух симметричных лопастей, срединная линия которых имеет вид объемной линии, полученной в результате

© Е.Н. Быков, В.В. Елистратов Проблемы энергетики, 2007, № 5-6

пересечения двух поверхностей второго порядка. Вертикальное сечение лопастей имеет форму аэродинамического профиля крыла, закругленный конец которого направлен навстречу набегающему ветровому потоку (рис. 1).

Рис. 1 Общий вид ВЭУ (изометрия): 1, 2-лопасти; 3-опорная дуга; 4-генератор

Данная конструкция лопастной системы позволяет передавать энергию от ветрового потока на вал ВЭУ дважды, т.е. ветровой поток, проходя через передние половины лопастей и отдавая часть энергии им, проходит определенный процесс восстановления во внутреннем объеме, попадает на задние половины, отдавая им еще некоторое количество энергии. Пренебрегая всеми потерями в трущихся деталях и аэродинамическими потерями в лопастной системе, руководствуясь импульсной теорией Н.Е. Жуковского, теоретически такой принцип преобразования может обеспечить суммарный коэффициент использования ветровой энергии потока в ветроколесе, близкий к 65 %.

Разработана методика проведения испытаний нового образца ВЭУ с определением ряда основных параметров.

При проведении энергетических и аэродинамических исследований были определены следующие параметры: полезная мощность; момент, развиваемый на валу ветроколеса; частота вращения; величина и направление вектора скорости ветрового потока.

Для получения энергетической характеристики ветроколеса были вычислены мощность ветрового потока N о и полезная мощность N т, передаваемая ветровым потоком на вал ветроколеса.

Эксперимент проводился в диапазоне скоростей от 0 до 18 м/с с шагом 2 м/с. Для построения рабочих характеристик при каждой скорости ветрового потока была определена полезная мощность в зависимости от частоты вращения вала ВЭУ. Режимы работы ВЭУ изменялись при помощи регулирования нагрузки генератора. Также построена кривая максимальных мощностей, точки которой соответствуют максимальной полезной мощности, передаваемой на вал ветроколеса при каждой выбранной скорости ветрового потока.

Энергетическую эффективность ВЭУ можно определить на основе аэродинамической характеристики, которая представляет собой зависимость момента, развиваемого на валу ветроколеса, М в и коэффициента использования ветра | от быстроходности ветроустановки. В ходе исследований получены рабочие и аэродинамические характеристики данной ВЭУ.

Также проведены аэродинамические исследования, в ходе которых определены поля скоростей за ВЭУ. Поля скоростей измерены в сечениях, находящихся на расстоянии Ш, 0,5D от ветроколеса и непосредственно за ветроколесом. Проведены и экспериментальные исследования по визуализации потока, в ходе которых получен общий вид линии тока в пределах ВЭУ. Обтекание ВЭУ похоже на обтекание шара, имеющего определенную проницаемость. За ветроколесом образуется классический вихрь, имеющий «горло» на расстоянии около одного диаметра, от ветроколеса. Полученные данные дают полноценную картину о работе исследуемой ВЭУ.

Согласно полученным данным, новый вид ВЭУ со спиральными лопастями можно отобразить на общем графике зависимостей коэффициента использования энергии ветрового потока | от быстроходности Z (рис. 2) [3].

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

1 2

/ 6 3 "/"V

/ 7 8

1 2 3 4 5 6 7 8

0

Рис. 2 Зависимость коэффициента использования энергии ветрового потока £ от

быстроходности Z: 1 - критерий Бетца, 59 %; 2 - критерий Глауэрта; 3 - трехлопастное ветроколесо; 4 - двухлопастное; 5 - вертикально осевые ветроколеса типа Дарье; 6 -многолопастные ветронасосы; 7 - ротор Савониуса; 8 - ротор со спиральными лопастями

В ходе данного исследования максимальный коэффициент использования энергии ветрового потока данной ВЭУ составил 16%. Крутящий момент, представленный в виде отвлеченного момента в относительных единицах, составил 0,094.

Данная ВЭУ занимает место между многолопастными ветроколесами (ветронасосами) и быстроходными классическими агрегатами. Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что путем варьирования параметрами лопастной системы, можно изменять положение данной установки в выше приведенном графике с целью приобретения определенных качеств, а именно: большей быстроходности или большего крутящего момента.

Явными преимуществами новой ВЭУ со спиральными лопастями является ее использование без дополнительных устройств ориентации на ветер. Цельная конструкция ВЭУ имеет эстетический вид, позволяющий использовать данную конструкцию, не нарушая архитектурного баланса жилых построек.

Проведенные исследования показали, что данная ВЭУ обладает коэффициентом использования энергии ветрового потока, равным 16 %, стабильным в широком диапазоне скоростей ветрового потока, как минимум от 8 до 18 м/с, также данная ВЭУ имеет высокие значения относительного крутящего момента на валу, типичные для многолопастной ветроустановки. Максимальная полезная мощность, полученная в ходе исследований, составила 495 Вт. Скорость страгивания ветроколеса составляет 3 м/с.

Полученные данные дали основание к внесению определенных конструктивных изменений данной ВЭУ, что позволит получить ВЭУ с более высокими энергетическими показателями и стабильной работой в широком диапазоне режимов. На данные изменения подана заявка на патент РФ.

Summary

There are the results of wind turbine with brand new blading elaboration. In the article this turbine’s construction and principle of operation are shown. The aerodynamic and energetic investigation of this turbine was made. The methods of investigation and the analysis of its results are represented. The main advantages and the place of this kind of turbine in wind-turbines classification are shown in the article.

Литература

1. Елистратов В.В. «Использование ветроэнергетических установок в Северо-западном регионе РФ» // Обозрение современных технологий. №3 (15). -Санкт-Петербург: Победа. - 2006. - 5 с.

2. Патент 2218476 РФ. Бреусов В.П., Елистратов В.В. 2001.

3. Твайделл Дж., Уэйр А. «Возобновляемые источники энергии». - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 390 с.

Поступила 20.02.2007