МЕТОД ТЕОРИИ ПОДОБИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Бубенчикова Т.В.¹, Молодых В.О.¹, Руденок А.И.¹, Данилов Д.И.¹, Шевченко Д.Ю.¹

¹Студент-магистрант, Омский государственный технический университет

Работа выполнена при поддержке гранта № МК-5098.2016.8

МЕТОД ТЕОРИИ ПОДОБИЯ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Аннотация

В статье отражен процесс проектирования ветроэнергетической установки и рассмотрены основные аспекты проектирования. Проанализирована методика проведения экспериментального исследования на моделях ветроэнергетической системы в жидкой и газовой средах, основанная на условии имитации реальной модели ВЭУ. Рассмотрены методы теории подобия при проектировании ветроэнергетической установки. Указана необходимость обобщения опытных данных, получая единичные уравнения для всех подобных явлений. Указан принцип работы с критериями подобия.

Ключевые слова: ветроэнергетика, теория подобия, альтернативный источник энергии, энергетика.

Bubenchikova T.V.¹, Molodikh V.O.¹, Rudenok A.I.¹, Danilov D.I.¹, Shevchenko D.Y.¹

¹Undergraduate student, Omsk State Technical University

THEORY OF SIMILARITY SIMULATION WIND TURBINES

Abstract

The article presents the design process of the wind power plant and describes the main aspects of the design. Analyzed the methodology of experimental studies on models of wind energy systems in liquid and gaseous media, based on the condition of simulating realistic models of wind turbines. Considers the methods of similarity theory in the design of the wind turbine. The necessity of generalization of experimental data, obtaining a single equation for all such phenomena. Specify the principle of the similarity criteria.

Keywords: wind energy, similarity theory, an alternative source of energy, energetic.

На дворе 21 век, всё больше технологий приходят в нашу жизнь. Тем самым увеличивается потребление электрической энергии. Привычные энергоресурсы, такие как нефть, уголь и природный газ, в скором времени иссякнут, и выработка большого количества энергии станет проблемой. Люди стремятся сделать энергию чистой, чтобы не влияло на окружающую среду. Для этого было введено понятие альтернативные источники энергии. Одним из самых распространённых является «Ветроэнергетическая Установка». Бурное развитие ветроэнергетики свидетельство того, что отрасль в будущем станет самой важным источником электроэнергии, удовлетворяющая потребности человечества [3].

Подтверждение бурного развития показана в [2], где было проанализирована мировая ветроэнергетическая промышленность за 3 года. В июне 2013 году общая мировая мощность, выработанная с помощью ветра, составила почти 300 ГВт. То есть ВЭУ производят около 3,5% электроэнергии от мирового спроса. За период 3 года глобальный потенциал ВЭУ вырос. Четырём странам в первой половине 2013 года удалось достичь мощности более 1 ГВт: Китай (5,5 ГВт); Великобритания (1,3 ГВт); Индия (1,2 ГВт); Германия (1,1ГВт). Постепенно к ним присоединяются: Швеция (526 МВт); Австралия (475 МВт); Дания (416 МВт); Румыния (384 МВт); Канада (377 МВт); Бразилия (281 МВт).

При проектировании ветроэнергетической установки нужно учесть множество аспектов. Процесс осуществляется специалистами разных областей, направлений науки и техники, поэтому он довольно сложен и трудоемок. Так же проектирование установки не малого количества времени, т.к. от принятия важного стратегического решения зависит успех самого проекта [5].

Проектирование ВЭУ обычно включает в себя несколько фаз, каждая из которых проводится с разными методами проектирования, это одна из главных особенностей. В среднем, весь процесс от создания эскиза проекта, до разработки основной конструкторской документации, а так же первого рабочего прототипа, готового к тестированию занимает около 2-х лет. [2]

В работе [5] были сформулирован процесс проектирования ВЭУ которые могут быть условно разделены:

установка параметров ВЭУ. Этот этап является основным, на нем принимается решение об задавании номинальной мощности; классе ВЭУ (I, II, III, S); типе корректировки частоты вращения ветроколеса; наличии и типе редуктора; типе генератора. Так же в данной фазе проводится предварительная оценка значений нагрузок; разработка эскизного проекта ВЭУ, первоначальный расчет массогабаритных характеристик ВЭУ, а также оценка факторов безопасности эксплуатации согласно действующим нормам и стандартам;

расчет статических и динамических нагрузок, влияющих на элементы ВЭУ. С помощью программных средств, производится выбор расчетной модели; по предварительным расчетным случаям и сочетаниям ожидаемых нагрузок ожидаемых на ВЭУ, производится классификация установки;

разработка и расчет механических узлов и компонентов ВЭУ. На этом этапе производится расчет на механическую прочность конструктивных элементов и частей ВЭУ;

уточнение нагрузок, действующих на элементы ВЭУ. Производится уточнение нагрузок с целью выявления и устранения нежелательных резонансных явлений; по завершению уточнения нагрузок нужно производить оценку с учетом механических взаимодействий элементов ВЭУ с использованием параметров, полученных ранее на прошлом этапе;

модернизация механических узлов и компонентов. Этот этап проектирования наиболее важен, т.к. его целью является доработка узлов и конструкций, механических частей ветроэнергетической установки и выполнение первого опытного образца. При этом проводится контроль качества деталей установки и основные производственные процедуры;

разработка электрической части и управления. Данный этап включает в себя разработку электрической части ВЭУ, т.е. органы управления и основные электротехнические части, а также схемы и алгоритмы работы оборудования;

написание руководства. Итогом выполнения данного этапа является создание руководство оператора и эксплуатационное руководство;

техническая экспертиза проектной документации. На данном этапе проводится техническая экспертиза проекта на предмет полного соответствия всех требований и условий выполнения проекта, изложенных в действующих стандартах и нормах в стране фирмы производителя установки;

техническая экспертиза опытного образца. Над созданным прототипом ВЭУ производятся проверки на устойчивость к любым наихудше возможным природно-климатическим условиям, так же определяют влияние предельно возможной скорости ветрового потока. Проводятся заключительные измерения выработки мощности на контактных щетках и основном вале. Производится замер электромагнитных помех и общего уровня шума ВЭУ. Для получения сертификата соответствия привлекается сторонняя организация для проведения экспертизы;

внесение исправлений. В процессе прохождения опытного образца технической экспертизы обычно выявляются ошибки и не соответствия, вносятся изменения и исправления;

получение сертификата. По результатам проведенных проверок, полученных на этапах технических экспертиз проектной документации, опытного образца, производственных условий, выдается сертификат позволяющий наладить массовое производство и продажу ВЭУ.

При построении ВЭУ значимую часть играет эксперимент. Из–за больших габаритных размеров, сложного внесения изменений при поисковых исследованиях и не стабильных внешних условий, трудно изучить явления, которые происходят во время испытаний ВЭУ. Проведение опыта на настоящем ВЭУ является трудным процессом. Для экономии бюджета и времени используют эксперименты на моделях, подобной реальной ВЭУ по свойствам, важным для изучаемого явления.

«Теория подобия является учением о методах научного обобщения эксперимента. Она указывает, как надо ставить опыты и как обрабатывать их результаты, чтобы при проведении небольшого числа экспериментов иметь возможность обобщать опытные данные, получая единичные уравнения для всех подобных явлений» [4].

Первое условие имитации является геометрическое подобие (пропорциональность сходственных геометрических параметров) модели и реальной ВЭУ. Остальные условия вытекают из понятия физического подобия – одинаковости отношений сходственных физических величин в сходственных точках пространства и в сходственные моменты времени. Отсюда следует, что каждый член уравнения, описывающего какое – либо физическое явление в реальной машине, будет равен соответствующему члену уравнения для модели, умноженному на постоянное число. Поэтому безразмерные формы уравнений, для модели и реальной машины должны быть одинаковыми [1,14].

Уравнение гидромеханики связывает основные и составляющие параметры гидромеханических и тепловых систем и для стационарного трехмерного случая имеет вид

                   (1)

где ρ, , ,  – плотность, кинематический коффициент вязкости, теплоемкость (при постоянном объёме), коэффициент теплопроводности среды;  – вектор напряжённости массовых сил;  – гидростатическое давление;  – функция диссипации, учитывающая подогрев среды за счёт рассеивания в ней работы сил вязкости;  (  – орты осей координат ) [3].

Записав уравнение (1) в безразмерной форме, мы увидим, что совпадение их, для модели и реальной ВЭУ, возможно лишь при равенстве комплектов, которые в связи с этим названы критериями (числами) подобия: они носят имена учёных Фруда, Эйлера, Рейнольса, Пекле и обозначают Fr, Eu, Re, Pe соответственно.

Равенство значений Fr, Eu, Re для модели и реальной ВЭУ является условием гидродинамического подобия, так как эти критерии являются отношением конвективной составляющей ускорения к напряжению сил: массовых, давления и трения [3].

Уравнение подобия имеет вид:

и выражает связь потерь давления ΔР в гидравлической сети с числом Рейнольдса (число Эйлера записано в виде ). Определяющим является число Рейнольдса, поэтому при проведении опытов на модели должно быть выдержано помимо геометрического подобия условие . В ряде случаев удовлетворить этому условию не удаётся. Тогда прибегают к замене теплоотводящей среды на модели или используют явление автомодельности. В таких условиях подобие гидродинамических процессов в модели и реальной ВЭУ обеспечивается и при .

Подобие модели натуре выражается в пропорциональности всех линейных размеров модели и натуры. Аналогично определяются понятия и о других масштабах: времени, силовой, плотности и др.

Закон аэродинамического подобия: два явления называются подобными, если у них всюду в подобных точках получаются одинаковые масштабы для однородных величин [1].

Число Рейнольдса оценивает силы вязкости, тормозящие движение жидкости. Эта величина очень важна при решении аэро- и гидродинамических задач. Также важен критерий Маха, оценивающим упругость жидкости.

Как описано в [3] «Переход от модели к натуре. Из равенства  имеем

где  – линейный масштаб. Таким образом, при испытании модели в аэродинамической трубе, где можно принимать  и , подобие будет соблюдено, если взять скорость в трубе  т.е. скорость  у модели должна быть во столько раз больше скорости  натуры, во сколько раз линейные размеры модели меньше натуры.

Экспериментальными исследованиями установлено, что при малых числах Райнольдса коэффициент сопротивления тел больше, а с увеличением  сопротивление падает и при некотором значении  оно практически становится постоянным. Для ветротурбин процесс передачи энергии от потока ветра к ротору определяется в основном двумя критериями: Рейнольдса и Струхаля Sh, который для ВЭУ будет

,

где b – хорда лопасти, Т – период вращения ветроколеса.

Например, в работах [6,7,8,9,10,11] были проведены эксперименты с подвижными роторами ветроагрегатов Дарье и Савониуса в аэродинамической трубе. В каждых опытах были соблюдены геометрические подобие объектов исследования. Одним из основных параметров исследований был критерий Рейнольдса. На рисунке 1 показано, что из-за роста числа Re происходит увеличение коэффициента мощности. У ротора Дарье рост числа Re приводил к небольшому увеличению аэродинамических свойств.

На основе проведенного исследования можно сделать вывод, что разработка современных проектов ВЭУ носит немаловажный характер. Безусловно ВЭУ обладают определенной спецификой в проектировании и

Рис. 1 – Зависимость осреднённого коэффициента мощности ротора Дарье от коэффициента быстроходности для различных чисел Рейнольдса.

строительстве, по сравнению с другими установками, работающими на основе альтернативных источников энергии. Наличие большого количества свободного пространства позволяют развивать мощности ВЭУ до тысяч МВт. Для успешного развития комплекса в целом требуется изучение распределения ветроэнергетического потенциала на территории, а также моделирование новых типов установок, тем самым повышая их эффективность и мощность.

Список литературы / References

1. Горелов Д.Н. Энергетические характеристики ротора Дарье (обзор) /Д.Н. Горелов // Теплофизика и аэромеханика. — 2010. — №3. — С. 325–333.
2. Соломин А.С. Анализ развития мировой ветроэнергетической промышленности за 2010–2013 года / Е.В. Соломин, А.С. Аникин, Е.А. Сироткин// Наука ЮУрГУ: материалы 66-й научной конференции 2013г. –С.1366–1370.
3. Кривцов В.С., Олейников А.М. Неисчерпаемая энергия. — Харьков: 2004. — 519 с.
4. Гатапова Н.Ц. Основы теории и техники физического моделирования и эксперимента: учебное пособие / Н.Ц. Гатапова, А.Н. Колиух, Н.В. Орлова, А.Ю. Орлов. — Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2014. — 77 с.
5. Елистратов В. В. Проектирование и эксплуатация установок нетрадиционной и возобновляемой энергетики. Ветроэлектрические установки: учебное пособие. / В. В. Елистратов, А. А. Панфилов. – СПб.: Изд-во Политех. ун-та. – 2011.
6. Редчиц Д. А. Аэродинамика роторов Дарье и Савониуса / Д. А. Редчиц, А. А. Приходько //Авиационно-космическая техника и технология. – 2007. – №. 5. – С. 26–31.
7. Редчиц Д. А. Численное моделирование нестационарных турбулентных отрывных течений при обтекании ротора Савониуса / Д.А. Редчиц //Авиационно-космическая техника и технология. – 2008. – №. 5. – С. 53–58.
8. Котов А. В. Экспериментальное исследование аэродинамических характеристик и качества смешения в низкоэмисионном горелочном устройстве / А. В. Котов, В. Г. Ванцовский, В. В. Вилкул // Восточно–Европейский журнал передовых технологий. – 2009. – Т. 4. – №. 6 (40). –С.19–23.
9. Michael S. Selig, Wind Tunnel Aerodynamic Tests of Six Airfoils for Use on Small Wind Turbines / S. Selig Michael, D. McGranahan Bryan // Journal of Solar Energy Engineering. – 2004 г.–Vol.126.–pp.986–1001.
10. Maître T. Modeling of the flow in a Darrieus water turbine: Wall grid refinement analysis and comparison with experiments / T. Maître, E. Amet, C. Pellone //Renewable Energy. – 2013. – Т. 51. – С. 497–512.
11. Mohamed M. H. Performance investigation of H-rotor Darrieus turbine with new airfoil shapes / M. H. Mohamed //Energy. – 2012. – Т. – № 1. – С. 522-530.
12. DEMIRCAN E. DESIGN AND ANALYSIS OF A VERTICAL AXIS WATER TURBINE FOR RIVER APPLICATIONS USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS : дис. – MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY, 2014.
13. Wang S. Turbulence modeling of deep dynamic stall at relatively low Reynolds number / Wang, D. B. Ingham, L. Ma, M. Pourkashanian, Z. Tao //Journal of Fluids and Structures. – 2012. – Т. 33. – С. 191–209.
14. Wilson R. E. Wind-turbine aerodynamics / R. E. Wilson //Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. – 1980. – Т. 5. – №. 3-4. – С. 357–372.
15. Migliore P. Wind tunnel aeroacoustic tests of six airfoils for use on small wind turbines / P. Migliore, S. Oerlemans //Journal of Solar Energy Engineering. – 2004. – Т. 126. – №. 4. – С. 974–985.

Список литературы латинскими символами / References in Roman script

1. Gorelov D.N. Energeticheskie kharakteristiki rotora Dar'e (obzor) [Power characteristics of a rotor to Darya (review)] / D.N. Gorelov // Teplofizika i aeromekhanika [Thermophysics and aeromechanics]. — 2010. — V. 3. — P. 325–333. [in Russian]
2. Solomin A.S. Analiz razvitiya mirovoy vetroenergeticheskoy promyshlennosti za 2010–2013 goda [The analysis of development of the world wind power industry for 2010-2013] / E.V. Solomin, A.S. Anikin, E.A. Sirotkin// Nauka YuUrGU: materialy 66-y nauchnoy konferentsii [Science YUrSU: materials of the 66th scientific conference]–2013g. –P.1366–1370. [in Russian]
3. Krivtsov V.S., Oleynikov A.M. Neischerpaemaya energiya [ Inexhaustible energy]. — Khar'kov: 2004. — 519 pp. [in Russian]
4. Gatapova N.Ts. Osnovy teorii i tekhniki fizicheskogo modelirovaniya i eksperimenta: uchebnoe posobie [Bases of the theory and technology of physical modeling and experiment: education guidance] / N.Ts. Gatapova, A.N. Koliukh, N.V. Orlova, A.Yu. Orlov. — Tambov: Izd-vo TGTU, 2014. — 77 pp. [in Russian]
5. Elistratov V. V. Proektirovanie i ekspluatatsiya ustanovok netraditsionnoy i vozobnovlyaemoy energetiki. Vetroelektricheskie ustanovki: uchebnoe posobie [ Designing and operation of installations of nonconventional and renewable power. Vetroelektrichesky installations: education guidance] / V. V. Elistratov, A. A. Panfilov. – SPb.: Izd-vo Politekh. un-ta. – 2011. [in Russian]
6. Redchits D. A. Aerodinamika rotorov Dar'e i Savoniusa [Aerodynamics three-blade rotor Savonius] / D. A. Redchits, A. A. Prikhod'ko // Aviatsionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya [Aerospace equipment and technology]. – 2007. – V. 5. – P. 26–31. [in Russian]
7. Redchits D. A. Chislennoe modelirovanie nestatsionarnykh turbulentnykh otryvnykh techeniy pri obtekanii rotora Savoniusa [Numerical modeling of non-stationary turbulent detachable flows at a flow of a rotor of Savonius] / D.A. Redchits //Aviatsionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya[Aerospace equipment and technology]. – 2008. – V. 5. – P. 53–58. [in Russian]
8. Kotov A. V. Eksperimental'noe issledovanie aerodinamicheskikh kharakteristik i kachestva smesheniya v nizkoemisionnom gorelochnom ustroystve [Pilot study of aerodynamic characteristics and quality of mixture in the nizkoemisionny gorelochny device] / A. V. Kotov, V. G. Vantsovskiy, V. V. Vilkul //Vostochno–Evropeyskiy zhurnal peredovykh tekhnologiy [East European magazine of advanced technologies]. – 2009. – I. 4. – V. 6 (40). –P. 19–23. [in Russian]
9. Michael S. Selig, Wind Tunnel Aerodynamic Tests of Six Airfoils for Use on Small Wind Turbines / S. Selig Michael, D. McGranahan Bryan // Journal of Solar Energy Engineering. – 2004 g.–V.126.–P. 986–1001.
10. Maître T. Modeling of the flow in a Darrieus water turbine: Wall grid refinement analysis and comparison with experiments / T. Maître, E. Amet, C. Pellone //Renewable Energy. – 2013. – I. 51. – P. 497–512.
11. Mohamed M. H. Performance investigation of H-rotor Darrieus turbine with new airfoil shapes / M. H. Mohamed //Energy. – 2012. – I. 47. – V. 1. – P. 522-530.
12. DEMIRCAN E. DESIGN AND ANALYSIS OF A VERTICAL AXIS WATER TURBINE FOR RIVER APPLICATIONS USING COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS: dis. – MIDDLE EAST TECHNICAL UNIVERSITY, 2014.
13. Wang S. Turbulence modeling of deep dynamic stall at relatively low Reynolds number / S. Wang, D. B. Ingham, L. Ma, M. Pourkashanian, Z. Tao //Journal of Fluids and Structures. – 2012. – I. 33. – P. 191–209.
14. Wilson R. E. Wind-turbine aerodynamics / R. E. Wilson //Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. – 1980. – I. 5. – V. 3-4. – P. 357–372.
15. Migliore P. Wind tunnel aeroacoustic tests of six airfoils for use on small wind turbines / P. Migliore, S. Oerlemans //Journal of Solar Energy Engineering. – 2004. – I. 126. – V. 4. – P. 974–985.