Теоретические и экспериментальные основы создания эффективных ветроэнергетических установок для АПК в условиях малых скоростей ветра тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, доктор наук Хозяинов Борис Петрович

• Хозяинов Борис Петрович
• доктор наук
• 2024

Оглавление диссертации доктор наук Хозяинов Борис Петрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

1.1. История развития ветроэнергетики

1.2. Конструктивные особенности существующих ВЭУ и анализ

их работы

1.3. Основы использования энергии ветра

ГЛАВА 2. ИСПЫТАНИЕ ДЕТАЛЕЙ МОДЕЛЕЙ ВЕТРОТУРБИНЫ

В АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ 3 - АТ - 17,5/3

2.1. Описание испытываемых моделей

2.2. Характеристика аэродинамической трубы 3-АТ-17,5/3

2.3. Приборы, используемые при испытаниях моделей ВО ВЭУ в аэродинамической трубе 3-АТ-17,5/3

2.4. Характеристики частей моделей ВО ВЭУ, испытываемых в аэродинамической трубе

2.4.1. Испытания моделей ветронаправляющих экранов

2.4.1.1. Визуализация путей протекания воздушных потоков в системе ветронаправляющих экранов различной комплектации

2.4.1.2. Определение направления движения и скорости воздушного потока в объеме расположения отсутствующего ротора

2.4.1.2.1. Характеристика моделей и условий эксперимента

2.4.1.2.2. Результаты испытаний по определению направления движения и скорости воздушного потока в объеме расположения отсутствующего ротора

2.4.2. Определение аэродинамических коэффициентов лопастей

ВО ВВЭУ

2.4.2.1. Общие сведения. Справочные материалы

2.4.2.2. Определение аэродинамических коэффициентов цилиндрического сегмента

2.4.2.3. Определение аэродинамических коэффициентов цилиндрического сегмента со стабилизирующей плоскостью

2.4.2.4. Определение аэродинамических коэффициентов лопасти с профилем в виде полуэллипса в сочетании с другими конструктивными элементами

ГЛАВА 3. ИСПЫТАНИЯ МОДЕЛЕЙ ВЕТРОТУРБИНЫ В АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ 3-АТ-17,5/3 ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВРАЩАЮЩЕГО МОМЕНТА

3.1. Конструкции испытываемых моделей ВО ВЭУ

3.2. Экспериментальное определение вращающего момента, действующего на модель застопоренного ротора

3.2.1. Экспериментальное определение вращающего момента, действующего на модель трехлопастного застопоренного ротора, оборудованного лопастями 1 -ой и 2-ой модели

3.2.2. Определение аэродинамических коэффициентов Cm модели, состоящей из трехлопастного ротора в окружении шести ветронаправляющих экранов шириной 150 мм

3.3. Определение аэродинамических коэффициентов Cm модели, состоящей из четырехлопастного ротора

3.3.1. Экспериментальное определение вращающего момента, действующего на модель четырехлопастного застопоренного ротора, оборудованного лопастями 1-ой и 2-ой модели

3.3.2. Определение аэродинамических коэффициентов Cm модели четырехлопастного ротора в окружении шести ветронаправляющих экранов шириной 150 мм

3.4. Испытания моделей ветротурбины в аэродинамической трубе

3-АТ-17,5/3 по определению мощности

3.4.1. Методика экспериментального определения мощности модели, оборудованной металлическими лопастями

3.4.2. Экспериментальное определение мощностей моделей со стеклопластиковыми лопастями различной конструктивной комплектации

3.4.2.1. Экспериментальное определение мощности модели с тремя малыми стеклопластиковыми лопастями и шестью

ветронаправляющими экранами

3.4.2.2. Экспериментальное определение мощности модели с четырьмя малыми стеклопластиковыми лопастями и шестью ветронаправляющими экранами

3.4.2.3. Экспериментальное определение мощности модели с пятью малыми стеклопластиковыми лопастями и шестью ветронаправляющими экранами

3.4.3. Экспериментальное определение мощности модели различной конструктивной комплектации

3.4.3.1. Экспериментальное определение мощности модели с тремя большими стеклопластиковыми лопастями и шестью ветронаправляющими экранами

3.4.3. Экспериментальное определение мощности модели с четырьмя большими стеклопластиковыми лопастями и шестью ветронаправляющими экранами

3.4.4. Экспериментальное определение мощности модели с пятью большими стеклопластиковыми лопастями и шестью

ветронаправляющими экранами

3.4.4.1 Сводный анализ эффективности работы моделей различной конструктивной комплектации, испытанных в аэродинамической

трубе 3-АТ-17,5/3

ГЛАВА 4. ИСПЫТАНИЯ ОПЫТНОЙ УСТАНОВКИ В ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЯХ

4.1. Описание опытной установки

202

4.2. Приборы и приспособления, используемые при экспериментальных исследованиях ВО ВЭУ в природных условиях

4.3. Результаты экспериментальных данных, полученных при испытании установок различной конструктивной комплектации

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ОПТИМАЛЬНОЙ МОЩНОСТИ ВО ВЭУ И СРАВНЕНИЕ ВЫЧИСЛЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ С ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМИ ДАННЫМИ

5.1. Разработка методики расчета по определению оптимальной угловой скорости вращения ветротурбины ВО ВЭУ

5.1.1 Сравнение вычисленной оптимальной угловой скорости вращения ветро-турбины с экспериментальными данными моделей, испытанных

в аэродинамической трубе

5.1.2. Сравнение вычисленной оптимальной угловой скорости вращения ветро-турбины с экспериментальными данными установки, испытываемой в природных условиях

5.2. Разработка методики расчета по вычислению оптимального вращающего момента ветротурбины и сравнение вычисленных значений с экспериментальными показателями

5.2.1. Сравнение вычисленного вращающего момента моделей ветротурбины с экспериментальными данными

5.2.2. Сравнение вычисленного оптимального вращающего момента ветротурбины с экспериментальными данными установки, испытываемой в природных условиях

5.3. Вычисление оптимальной мощности ВО ВЭУ и сравнение вычисленных значений с экспериментальными данными

5.3.1. Сравнение вычисленной мощности моделей ветротурбины с экспериментальными данными

5.3.2. Сравнение вычисленной мощности ветротурбины с экспериментальными данными установки, испытываемой в природных условиях

5.4. Определение геометрических параметров вертикально-осевой ветроэнергетической установки, позволяющие эффективно работать при скоростях от 0,5 до 15 м/с

5.5. Анализ влияния массы вертикально-осевой ветротурбины на эффективность ее работы

5.6. Вычисление природной скорости ветра для запуска вертикально-осевой ветротурбины в работу

5.6.1. Разработка формул для определения природной скорости ветра для запуска вертикально-осевой ветротурбины в работу

ГЛАВА6. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ

В УСЛОВИЯХ ВЕТРОВОГО РЕЖИМА РОССИИ

ГЛАВА 7. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, ПОВЫШАЮЩИЕ ЭФФЕКТИВНОСТЬ РАБОТЫ ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЕВОЙ

ВЕТРОТУРБИНЫ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

323

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теоретические и экспериментальные основы создания эффективных ветроэнергетических установок для АПК в условиях малых скоростей ветра»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В последнее время ученые многих стран обращают внимание мировой общественности на беспрецедентное загрязнение окружающей среды. В результате вредного воздействия различных отходов производств могут произойти необратимые изменения генетического кода человека. Среди производств, которые наиболее интенсивно способствуют загрязнению окружающей среды можно выделить химические, металлургические, энергетические и ряд других. Чтобы снизить выделение вредных отходов тратятся огромные средства на разработку различных уловителей, фильтров и другое очищающее оборудование. Кроме того, выплачиваются гигантские штрафы, которые являются малоэффективными и не всегда используются для восстановления загрязненной окружающей среды.

Помимо проблем с экологией, дефицита электроэнергии и сырья для его производства существует также проблема эффективности децентрализованного энергоснабжения. Известно также, что большое количество районов России -Камчатской, Магаданской областей, Якутии и Чукотского автономного округа используют для энергоснабжения дизельные электростанции (ДЭС). Особенно это касается удаленных от централизованного энергоснабжения сельскохозяйственных предприятий и поселений. Вполне естественно, что с учетом доставки топлива в труднодоступные районы и последующей грандиозной проблемы - утилизации бочек, о приемлемой эффективности этих станций рассуждать не приходится.

Учитывая ограниченность запасов невозобновляемого природного топлива и резкое подорожание электроэнергии, можно сделать следующий вывод: к этому направлению развития энергетики следует отнестись с некоторой осторожностью. Состояние мировой энергетики хорошо отражено в источнике [25].

Так какой же должна быть энергетика будущего? Анализируя все вышеперечисленное, можно прийти к выводу, что перспективные технологии генерирования энергии должны отвечать современным требованиям:

1. Они должны быть экологически чистыми, особенно это касается предприятий сельскохозяйственного направления, где производятся продукты питания.

2. Должны использовать возобновляемую энергию.

3. Они должны быть способны работать в районах удаленных от развитой инфраструктуры.

Среди таких источников можно назвать:

1. Ветровую энергетику.

2. Энергетику, в основу которой заложена солнечная энергия.

3. Гидроэнергетические станции.

4. Станции, использующие геотермальную энергию.

5. Приливные электростанции.

6. Станции, использующие энергию волн.

7. Станции, использующие энергию температурного перепада.

С учетом вышеизложенного представляются актуальными исследования возобновляемых источников энергии и в частности ветроэнергетики. Одной из причин недостаточного развития ветроэнергетики в России является то, что традиционные ветротурбины запускаются при ветре 3...4 м/с, а это неприемлемо для ветрового режима России, так как при таких скоростях ветра ветротурбины должны не запускаться в работу, а должны работать полноценно (см. рис. 1).

Рис. 1. Среднегодовая скорость ветра на территории России

Поздний запуск ветротурбин, использующих подъемную силу лопасти, объясняется тем, что соотношение суммарной площади лопастей к ометаемой площади ветротурбины очень мал и это препятствует запуску ветротурбины при малых скоростях ветра. Кроме того, для полного использования энергии ветра недостаточная площадь лопастей требует увеличенной угловой скорости вращения ве-тротурбины, а это приводит к появлению инфразвука, что губительно сказывается

на животном мире. Особенно это проявляется в ветротурбинах с горизонтальной осью вращения при большой длине лопастей. Другой существенный недостаток этих ветротурбин заключается в изготовлении сложного аэродинамического профиля с изменением размера сечения и, соответственно, момента сопротивления. С учетом изменения местоположения лопасти по высоте с разным ветровым давлением она испытывает сложное напряженное состояние, которое усугубляется углом закручивания лопасти и изменением направления подъемной силы, действующей на лопасть и способствующей ее вращению, что приводит к недостаточной эффективности ее работы и частым разрушениям. Недостаток ветротурбин с горизонтальной осью вращения также объясняется несоответствием угла закручивания лопасти с угловой скоростью вращения ветротурбины.

Актуальным представляется исследование экспериментальных и теоретических основ новых вертикально-осевых ветроэнергетических установок (ВО ВЭУ) в условиях малых природных скоростей ветра, т. к. большая часть территории России имеет сравнительно малые среднегодовые природные скорости ветра (~ 4 м/с), особенно это касается удаленных сельскохозяйственных районов. Поэтому исследовались новые запатентованные ВО ВЭУ.

Анализ исследований по изучению ВО ВЭУ, использующих принцип дифференциального лобового сопротивления лопастей достаточно ограничен. Это объясняется тем, что большинство исследователей убеждены в том, что ВО ВЭУ недостаточно эффективны. В этом определенная доля справедливости есть.

Представленная работа выполнена в рамках Распоряжения Правительства

РФ от 08.01.2009 г. «Об основных направлениях государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе использования возобновляемых источников энергии». В дальнейшем было издано распоряжение Правительства РФ от 24.10.2020 г. за № 2749-р с продлением до 2024 г., а затем продлением до 2035 г. Государственного контракта № 301 - 2003 на выполнение научно-исследовательских работ, заключенного с администрацией Кемеровской области «Разработка конструкции ветродвигателя, работающего при малых природных скоростях ветра» (2003.. .2005 г г.).

Объектом исследования диссертационной работы является новая эффективная конструкция ВО ВЭУ, использующая принцип «дифференциального лобового сопротивления» лопастей в условиях малых природных скоростей ветра.

Цель работы - создание новой эффективной ВО ВЭУ для энергоснабжения производств АПК, эксплуатируемой в условиях малых природных скоростей ветра с использованием новых запатентованных лопастей, использующих принцип дифференциального лобового сопротивления, и ветронаправляющих экранов, а также разработка методик по вычислению всех ее технических и геометрических параметров.

Основная идея работы заключается:

1. В разработке ВО ВЭУ, способной эффективно работать в условиях ветрового режима России. В расширении ветрового диапазона работы ветротурбины от 0,5 до 15 м/с в результате применения ветронаправляющих экранов и новых конструкций лопастей с изменяющимися размерами, использующих принцип. «дифференциального лобового сопротивления» с высокими аэродинамическими характеристиками и новых технологий регулирования мощности в зависимости от изменения скорости ветра.

2. В разработке математической модели вычисления угловой скорости вращения ветротурбины, вращающего момента и мощности.

3. В разработке математической модели вычисления всех параметров установки, включая размеры ветротурбины, размеры и количество лопастей, массу ве-тротурбины, габариты и местоположение регулируемых ветронаправляющих экранов с учетом среднегодовой скорости ветра, аэродинамических коэффициентов лопастей и требуемой мощности.

Предмет исследований - влияние конструктивных и комплектационных параметров ветротурбины, ее массы, геометрических и аэродинамических коэффициентов лопастей на оптимальные значения угловой скорости вращения ветро-турбины, ее вращающего момента и мощности для повышения эффективности работы ВО ВЭУ в условиях малых природных скоростей ветра в удаленных сельскохозяйственных районах.

Задачи исследования:

1. Создать новую эффективную ВО ВЭУ, способную эффективно работать для удаленных сельских потребителей в условиях малых природных скоростей

ветра. При разработке ветротурбины принять лопасти, использующие принцип дифференциального лобового сопротивления, наиболее чувствительные к малым скоростям ветра.

2. Провести испытания моделей ветротурбины различной комплектации в аэродинамической трубе 3-АТ-17,5/3 и опытной установки в природных условиях. Определить угловую скорость вращения ветротурбины, вращающего момента, мощности. На основании полученных результатов определить влияние геометрических, комплектационных и аэродинамических параметров, а также влияние наличия ветронаправляющих экранов и новых запатентованных лопастей на повышение эффективности работы ВО ВЭУ.

3. Используя математическую модель на основе анализа полученных экспериментальных и аналитических исследований разработать методики вычисления оптимальных значений угловой скорости вращения ветротурбины, вращающего момента и мощности.

4. Применяя математическую модель для исследования работы ветротурби-ны в динамике, разработаны методики по вычислению всех геометрических и комплектационных параметров ВО ВЭУ, включая размеры и количество лопастей, размеры, количество и местоположение ветронаправляющих экранов в зависимости от требуемой мощности и среднегодовой скорости ветра местности. А также методику по вычислению минимальной скорости ветра для запуска ВО ВЭУ в работу, определяющую целесообразность установки ВО ВЭУ в планируемом месте.

5. Для более эффективной работы ветротурбины определить ее оптимальную удельную массу (на 1 м2 миделевой площади).

6. Выполнить технико-экономическое обоснование эффективности использования новой ВО ВЭУ в ветровом режиме России и предложить новые перспективные технологии, способные эффективно регулировать угловую скорость вращения ветротурбины, вращающий момент и мощность.

Объектом исследования диссертационной работы является новая эффективная конструкция ВО ВЭУ, использующая принцип «дифференциального лобового сопротивления» лопастей в условиях малых природных скоростей ветра, где доминирующим является не быстрое вращение ветротурбины, а увеличенный вращающий момент, исключающий появление звукового эффекта, который негативно сказывается на животном мире сельскохозяйственных производств. Использование ветронаправляющих экранов для увеличения скорости воздушного потока в объеме ветротурбины.

Предмет исследований - повысить эффективность работы ВО ВЭУ в условиях малых природных скоростей ветра в удаленных районах АПК, используя ветронаправляющие экраны, лопасти с лучшими аэродинамическими характеристиками, оптимальную массу ветротурбины, ее комплектацию и геометрические параметры.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:

- применением стандартных методик и сертифицированной измерительной аппаратуры для определения аэродинамических характеристик лопастей и ветро-направляющих экранов, угловой скорости вращения ветротурбины и вращающего момента;

- результатами экспериментальных исследований, которые показали хорошую сходимость с вычислениями по разработанным математическим моделям, как по отдельным параметрам, так и по общей характеристике ВО ВЭУ;

- использованием стандартных методов статистической обработки (вероятность отклонения расчетных значений от экспериментальных составила не более 5 %).

Научная новизна работы заключается:

1. В получении аналитических зависимостей, описывающих параметры нового запатентованного профиля лопасти, использующего принцип дифференциального лобового сопротивления, с лучшими аэродинамическими характеристи-

ками, повышающие эффективность работы предлагаемых ВО ВЭУ в условиях малых природных скоростей ветра.

2. В установлении влияния ветронаправляющих экранов на скорость воздушного потока в объеме ветротурбины для повышения эффективности работы ВО ВЭУ.

3. В разработке методик экспериментального определения угловой скорости вращения, вращающего момента и мощности ветротурбины.

4. Используя математическую модель разработать методики по вычислению оптимальных значений угловой скорости вращения ветротурбины, ее вращающего момента и мощности.

5. Применяя математическую модель, разработаны методики по вычислению всех геометрических параметров ветротурбины, включая размеры и количество лопастей, ветронаправляющих экранов с изменяющимися размерами и местоположением, способствующих регулированию скорости воздушного потока в объеме ветротурбины, повышающих эффективность работы ВО ВЭУ и предотвращающих ее разрушение при ураганных ветрах. Кроме того, разработана методика по вычислению минимальной природной скорости ветра, при которой ветро-турбина запускается в работу, и которая определяет целесообразность установки ВО ВЭУ в планируемом месте.

6. В обосновании экономической эффективности использования предлагаемой конструкции ВО ВЭУ в условиях малых природных скоростей ветра с учетом предлагаемых перспективных технологий по регулированию угловой скорости вращения ветротурбины, вращающего момента и мощности.

Методы исследований.

1. Проведен анализ и обобщение научно-технической информации в области ветроэнергетики.

2. Выполнен комплекс экспериментальных исследований с моделями ВО ВЭУ в аэродинамической трубе 3-АТ-17,5/3 с анализом полученных результатов, с применением методов статистической обработки.

3. Выполнен комплекс экспериментов с опытными установками в природных условиях.

4. Проведен анализ, полученных результатов, с применением методов статистической обработки.

5. Выполнены аналитические исследования с использованием методов технической механики, аэродинамики и на их основе разработаны методики вычисления угловой скорости вращения ветротурбины, величины вращающего момента и мощности установок.

6. Проведено экономическое обоснование использования предлагаемой конструкции ВО ВЭУ в ветровых условиях России с использованием перспективных технологий по регулированию угловой скорости вращения ветротурбины, вращающего момента и мощности.

Научные положения, защищаемые автором:

1. Разработана и создана ВО ВЭУ с запатентованными лопастями, использующими принцип дифференциального лобового сопротивления, для которых определены аэродинамические коэффициенты, и ветронаправляющими экранами, регулирующими угловую скорость вращения ветротурбины, вращающий момент и мощность.

2. Определено влияния регулируемых по размерам и местоположению вет-ронаправляющих экранов на изменение скорости воздушного потока в объеме ве-тротурбины, и как следствие, угловой скорости вращения ветротурбины, вращающего момента и мощности.

3. Разработаны методики по вычислению угловой скорости вращения ветро-турбины, вращающего момента и мощности в зависимости от среднегодовой скорости ветра, аэродинамических характеристик лопастей, массы ветротурбины и всех геометрических параметров ветротурбины.

4. Разработаны методики по вычислению всех геометрических параметров ветротурбины, включая размеры и количество лопастей и ветронаправляющих экранов.

5. В определении оптимальной массы ветротурбины различных размеров для более эффективной ее работы, что способствует созданию методики по вычислению минимальной скорости ветра для запуска ветротурбины в работу.

6. Обоснована экономическая эффективность использования предлагаемой ВО ВЭУ при малых скоростях ветра. Разработаны перспективные технологии, регулирующие угловую скорость вращений ветротурбины, вращающего момента и мощность.

7. Разработка перспективных технологий, регулирующих угловую скорость вращений ветротурбины, вращающего момента и мощности.

Практическая ценность работы.

Практическая ценность представленной работы заключается:

1. В разработке и испытании запатентованных профилей лопасти, изменяющих свои размеры в зависимости от местоположения в объеме ветротурбины с высокими аэродинамическими коэффициентами, и определении их размеров и количества в объеме ветротурбины в зависимости от скорости воздушного потока.

2. В использовании ветронаправляющих экранов, способствующих повышению скорости воздушного потока в объеме ветротурбины в 1,5-2 раза, а также в определении размеров и местоположения направляющих экранов в зависимости от природной скорости ветра.

3. В использовании математической модели на основе анализа полученных экспериментальных и аналитических исследований разработаны методики по вычислению угловой скорости вращения ветротурбины, ее вращающего момента и мощности в зависимости от геометрических параметров, массы ветротурбины, аэродинамических коэффициентов лопастей и среднегодовой скорости ветра.

4. В применении математической модели для разработки методик по вычислению всех геометрических параметров ветротурбины, включая размеры лопастей, их количество в объеме ветротурбины, параметры и местоположение ветро-направляющих экранов в зависимости от изменения природной скорости ветра.

5. В определении оптимальной массы ветротурбин различных размеров для более эффективной работы, что способствует созданию методики по вычислению минимальной скорости ветра для запуска ветротурбины в работу.

6. В обосновании экономической эффективности использования предлагаемой ВО ВЭУ для АПК в условиях малых природных скоростей ветра и применении перспективных технологий по регулированию угловой скорости вращения ветротурбины, вращающего момента и мощности в зависимости от изменяющейся природной скорости ветра.

7. Разработаны перспективные технологии по регулированию угловой скорости вращения ветротурбины, вращающего момента и мощности в зависимости от изменяющейся скорости природного ветра.

Все вышеперечисленное отражает научную и практическую значимость данной работы.

Реализация результатов исследований. Материалы диссертационной работы были использованы при проведении экспертизы инновационных проектов по тематике ВО ВЭУ в ОАО «Кузбасский технопарк» и подтвердили свою обоснованность и научную значимость. Акт об использовании диссертационных исследований № КТ-421 от 07.12.22 г.

Личный вклад: представленные экспериментальные и аналитические исследования получены лично соискателем. В проведении некоторых испытаний и написании статей и патентов осуществлялось под непосредственным руководством соискателя.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на Международном научно-практическом семинаре «Нетрадиционные технологии в строительстве» Томск 1999 г. [98], на Международной научно-практической конференции «Динамика систем, механизмов и машин» Омск 1999 г. [99], на III Международном конгрессе «Ресурсо- и энергосбережение в реконструкции и новом строительстве» Новосибирск 2000 г. [100], на Российско-Китайском симпозиуме «Строительство шахт и городских подземных сооружений» Кемерово-Тайань 2000 г. [101], на IV Российско-Китайском симпозиуме

«Строительство и эксплуатация угольных шахт и городских подземных сооружений» Кемерово 2006 г. [107], на VII Международной научно-практической конференции «Безопасность жизнедеятельности предприятий в промышленно развитых регионах» Кемерово 2007 г. [108], на II Международной научно-практической конференции «Эколого-экономическая безопасность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского региона» Омск 2008 г. [109], на I Международной научно-практической Конференции «Проблемы строительного производства и управления недвижимостью» Кемерово 2010 г. [112], на II Международной научно-практической конференции «Проблемы строительного производства и управление недвижимостью» Кемерово 2012 г. [118].

По теме диссертации опубликовано 52 работы, в том числе, в ведущих научных рецензируемых изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК -22, 2 монографии, одна из них в соавторстве, ж. «Энергетик» - 3, ж. «Альтернативная энергетика и экология» - 3, ж. «Теплофизика и аэромеханика» - 1, ж. «Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. С.П. Королева» - 1, ж. «Вестник Иркутского государственного технического университета» -3, ж. «Вестник Кузбасского государственного технического университета им. Т.Ф. Горбачева» - 4, ж. «Проблемы энергетики» - 1, ж.), патенты на изобретения -15, свидетельства на полезную модель -3.

Структура диссертации. Работа состоит из введения и шести глав, заключения, четырех приложений и списка литературы из 156 наименований. Полный объем диссертации содержит 333 страницы, включая 150 рисунков и 98 таблиц.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 1.1. История развития ветроэнергетики

С давних времен люди использовали энергию ветра - в мореплавании, применяя ее для передвижения парусных судов, а при выращивании и переработке продуктов питания, применяли ветряные мельницы, используя их в ирригационных сооружениях и для помола зерна.

Первым объектом, использовавшим энергию ветра, был парус. Исследования Ю. С. Крючкова [38] показали, что парус можно представить в виде ветро-

двигателя с бесконечным диаметром колеса. Существует мнение, что парус является самой совершенной машиной, с наивысшим коэффициентом полезного действия, который непосредственно улавливает энергию ветра для передвижения судна.

Рис. 1.1. Схемы первых ветродвигателей с вертикальной осью вращения

Рис. 1.2. Ветряная мельница Рис. 1.3. Ветряная мельница

козлового типа шатрового типа

По мнению авторов раздела «Ветроэнергетика» Большой Советской энциклопедии самые древние фрагменты ветряных устройств были найдены в Египте и в Китае, которые были построены более 2000 лет назад. В Иране в царствование Калифа Омара (634-644 г. г. н. э.) персидский пленник Фир занимался строительством ветряных мельниц.

Ветряные устройства с вертикальной осью вращения известны человечеству с незапамятных времен [8]. Одним из самых древних документов, дошедшим до нашего времени, в котором упоминается такое устройство, датируется приблизительно 500-900 годами н. э. В документе говорится персидском механизме, предназначенном для подъема воды и помола зерна. Такой ветродвигатель получил ла-

тинское название «рапетопе», что означает: вращающийся при любом направлении ветра. Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения использовались и в Китае [40]. Распространена версия о том, что ветряная мельница была изобретена в Китае больше 2000 лет назад.

Однако, наиболее раннее документальное подтверждение датируется лишь 1219 годом н.э. и принадлежит одному из китайских государственных деятелей. В документе также отмечено, что ветродвигатель применялся для размола зерна и перекачивания воды. В Англии ветряные мельницы появились в 806 году в монастыре Кройланд, а в 1105 году первая ветряная мельница была построена и во Франции. Известно, что в 1299 году ветряные мельницы уже эксплуатировались в Голландии, а в Германии в г. Шпейре они появились в 1393 году. В рисунках знаменитого Леонардо Да Винчи (1425-1519 г.г.) имеется эскиз ветряной мельницы, конструкция которой была позднее распространена в Голландии под названием «Шатровых» или «Голландских». В Голландии ветряки использовались для осушения болот и откачки воды. Точного времени появления ветряков в России установить пока не представляется возможным. Известно только, что в XVII-XVIII веках многие фабрики и небольшие заводы в России пользовались услугами ветряных мельниц. Немалые усилия приложил к их внедрению и Пётр I.

Среди старинных ветряных мельниц можно выделить два типа конструкций. Это мельница козлового (немецкого) типа (см. рис. 1.2) и шатрового (голландского) типа (см. рис. 1.3). Отличие этих мельниц заключалось в том, что у козловых установка лопастей на ветер осуществлялась поворотом всего сооружения вокруг вертикального столба. Это требовало делать мельницу легкой для поворота ее вручную, а у шатровых поворачивался только шатёр (только верхняя часть сооружения) с помощью рычага, расположенного с противоположной от лопастей стороны шатра.

Для некоторых мельниц было изобретено дополнительное ветряное колесо, установленное на противоположной от лопастей стороне шатра. Это колесо требовалось для того, чтобы лопасти автоматически разворачивались в направлении на ветер. Если ветер изменял направление, то лопасти станут вращаться медленнее. После этого ветряное колесо, установленное под прямым углом к лопастям, улавливая ветер, начинает раскручиваться и устанавливать основные лопасти на ветер.

Таблица 1.1

Показатели ветряного хозяйства России на 1917 г.

Губернии Общее количество ветряных двигателей Плотность ветряных двигателей на 1000 кв. верст Вероятная средняя уста-нов-ленная мощность в л. с. Средний годовой сбор зерна в тыс. пудов Число л.с. необходимое для размола всего хлеба при 8760 часах работы в год

По данным Глав муки По данным земской анкеты

Анкет-ное ко-личе-ство Интерполирован-ное ко-личе-ство

1 2 3 4 5 6 7 8

Петроградская — 282 374 9,55 1.590 6.070 568

Новгородская 30 185 356 3,43 1.170 12.22 1.140

Витебская — 4 24 0,614 78 16.86 1.580

Псковская 134 226 475 12,54 1.520 15.93 1.460

Тверская 311 541 1.460 25,75 4.740 17.36 1.620

Ярославская — 200 915 29,4 3.030 10.03 1.020

Костромская 712 471 908 12,32 3.000 18.19 1.700

Вятская — 7.083 7.083 52,6 2.330 63.30 5.900

Пермская — 2.651 5.090 19,2 1.880 65.11 6.100

Смоленская 321 275 496 10,1 1.640 23.78 2.220

Московская 5 54 24 0,81 78 9.796 917

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Хозяинов Борис Петрович, 2024 год

/ —

м - - - 0*--- -и.__„ '— —_

ш/ш

тах

0 ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 О £7=2,8 ♦ £7=3,5 □ £7=4,0 ■ £7=5,3

Рис.3.27. Зависимость между величиной ю/ютах и мощностью модели М-4мсп-6э при скоростях воздушного потока от 2,8 до 4,0 м/с

Рис.3.28. Зависимость между величиной &/&тях и мощностью модели М-4мсп-6э при скорости воздушного потока 7,9 м/с

В табл. 3.22 даны изменения коэффициентов Км и Кю в зависимости от изменения скорости воздушного потока и сравнение этих коэффициентов с величинами, полученными по линиям тренда

Таблица 3.22

Сравнение экспериментальных параметров модели М-4мсп-6э, испытанных при и = 2,8...7,9 м/с, с величинами, вычисленными

по линиям тренда

Скорость воздушного потока и, м/с Км экспериментальный Кмт по линии тренда Кю экспериментальный Кют по линии тренда

2,8 0,5 0,622 0,731 0,628

3,5 0,72 0,656 0,528-0,417 0,607

4,0 0,667 0,68 0,929-0,893 0,592

5,3 0,746-0,9 0,742 0,54-0,421 0,551

7,9 0,838-0,915 0,867 0,484-0,438 0,471

Анализ графика на рис. 3.29 и табл. 3.22 показывают, что в модели М-4мсп-6э коэффициент Км > 0,5 даже при скоростях и < 3 м/с, а повышение скорости потока способствует его еще большему увеличению. Например, при скорости потока и = 5,3 м/с Км = 0,746, а при и = 7,9 м/с Км = 0,838, а по линии тренда изменяется от 0,581 при и = 2,8 м/с до 0,892 при и = 7,9 м/с. Отметим также, что коэффициент (Кю) по линии тренда заметно снижается в пределах от 0,783 при и = 2,8 м/с до 0,488 при и = 7,9 м/с.

В целом увеличение заполнения объема ротора лопастями до Кз = 0,4 способствовало незначительному снижению эффективности работы модели за исключением скорости от и = 2,8 м/с до и = 4,0 м/с (небольших скоростях), где модель работала несколько эффективнее чем М-3мсп-6э.

Таблица 3.23

Сравнение эффективности работы моделей, оборудованных трехлопастным и четырехлопастным роторами со стеклопластиковыми лопастями

и, м/с Км Кю N Вт модели Ыт, Вт К^3 КМ,4

2,8 0,551 0,548 0,072 0,355 0,2015

2,8 0,5 0,731 0,095 0,355 0,267

3,5 0,797 0,558 0,206 0,736 0,280

3,5 0,725 0,528 0,172 0,736 0,234

4,0 0,6 0,633 0,290 1,069 0,272

4,0 0,667 0,929 0,320 1,069 0,299

5,3 0,801 0,545 0,986 2,538 0,388

5,3 0,746 0,54 0,870 2,538 0,343

7,9 0,89 0,588 3,875 8,294 0,467

7,9 0,838 0,497 3,294 8,294 0,397

1

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 03 ОД 0,1 О

2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 ♦ ^М О Кы

Рис.3.29. Изменение коэффициентов Км

и Кю с увеличением скорости воздушного потока при испытании модели М-4мсп-6э

о 4 > \ >

—__

< > О - — — _ ' —

щ

Сравнение характеристик работы моделей М-3мсп-6э и М-4мсп-6э, представленных в табл. 3.23, показывает, что по эффективности модель М-3мсп-6э сработала несколько лучше. Жирным выделены показатели, относящиеся к модели М-3мсп-6э.

3.4.2.3. Экспериментальное определение мощности модели с пятью малыми стеклопластиковыми лопастями и шестью ветронаправляющими экранами

Для уточнения предположения о влиянии заполнения объема ротора лопастями на эффективность работы модели, были проведены испытания модели с ротором, оборудованным пятью лопастями 2-й модели со стационарно закрепленной стабилизирующей плоскостью, установленной по оси лопасти, с коэффициентом заполнения объема ротора лопастями Кз = 0,5 [107, 111, 115]. Количество экранов и их размеры, а также размеры лопастей остались без изменения. Модель М-5мсп-6э показана на рис. 3.30.

Рис.3.30. Модель ветродвигателя М-5мсп-6э с пятью стеклопластиковыми лопастями в роторе и шестью ветронаправляющими экранами

Результаты испытаний модели М-5мсп-6э занесены в табл. 3.24-3.28 и проиллюстрированы на рис. 3.31-3.35.

Испытания модели М-5мсп-6э при обдувании ее воздушным потоком со скоростью и = 2,8 м/с показали, что наилучшая эффективность этой комплектации модели была достигнута при Км = М/МТ = 0,211 и Е = 0,095, что несколько больше, чем в модели М-3мсп-6э, где Км = 0,201 и Е = 0,091, но ниже, чем в модели М-4мсп-6э (Км = 0,267 и Е = 0,118). Наиболее эффективно модель М-5мсп-6э работала при соотношении Км = М/Мтах = 0,69, а угловая скорость вращения ротора соответствовала Кю = ю/ютах = 0,462.

Таблица 3.24

Результаты измерений параметров модели М-5мсп-6э, испытываемой

при и = 2,8 м/с

Сила, Н Момент, Нм М/Мтах Обороты, об/мин Угловая скорость, рад/с ю Ютах Мощность модели М, Вт Мощность традиц. установки Мт, Вт Е

Р Ы=Р^ Км п ю Кю N Мт Е

0,038 0,0005 0,0343 106 11,1 1 0,0055 0,355 0,007

0,646 0,0084 0,5833 81 8,4823 0,7642 0,0712 0,355 0,09

0,692 0,009 0,625 76 7,9587 0,7170 0,0716 0,355 0,091

0,731 0,0095 0,6597 74 7,7493 0,6981 0,0736 0,355 0,093

0,761 0,0099 0,69 72 7,536 0,462 0,075 0,355 0,095

0,861 0,0112 0,7771 56 5,8643 0,5283 0,0656 0,355 0,083

0,954 0,0124 0,8611 34 3,5605 0,3208 0,0442 0,355 0,056

0,969 0,0126 0,875 29 3,0369 0,2736 0,0383 0,355 0,048

1,111 0,0144 1 12 1,2566 0,1132 0,0181 0,355 0,023

Таблица 3.25

Результаты измерений параметров модели М-5мсп-6э, испытываемой

при и = 3,5 м/с

Сила, Н Момент, Нм М/Мтах Обороты, об/мин Угловая скорость, рад/с ю ю тах Мощность модели N Вт Мощность традиц. установки Вт Е

Р Ы=Р^ Км п ю Кю N N Е

0,046 0,0006 0,023 132 13,816 1 0,008 0,736 0,005

0,761 0,0099 0,385 132 13,816 1 0,137 0,736 0,084

1,108 0,0144 0,558 102 10,676 0,773 0,154 0,736 0,094

1,223 0,0159 0,615 78 8,164 0,591 0,130 0,736 0,079

1,377 0,0179 0,692 60 6,28 0,454 0,112 0,736 0,068

1,454 0,0189 0,731 42 4,396 0,318 0,083 0,736 0,051

1,492 0,0194 0,75 42 4,396 0,318 0,085 0,736 0,052

1,331 0,0173 0,673 18 1,884 0,136 0,033 0,736 0,02

1,492 0,0194 0,75 24 2,512 0,182 0,049 0,736 0,03

1,454 0,0189 0,731 18 1,884 0,136 0,036 0,736 0,022

1,454 0,0189 0,731 24 2,512 0,182 0,047 0,736 0,029

1,415 0,0184 0,712 18 1,884 0,136 0,035 0,736 0,021

1,531 0,0199 0,769 12 1,256 0,091 0,025 0,736 0,015

1,992 0,0259 1 0 0 0 0,000 0,736 0

С повышением скорости воздушного потока до и = 3,5 м/с, при испытании модели М-5мсп-6э, были показаны следующие характеристики (см. табл.3.25): наиболее эффективно модель работала при соотношении Км = М/Мтах = 0,558 и Кю =ю/ютах = 0,773, при этом коэффициент ^ = 0,209 и Е = 0,094 при N = 0,154 Вт.

Следующая ступень скорости воздушного потока испытания модели М-5мсп-6э соответствовала и = 4,0 м/с. Эксперимент показал следующие характеристики при наиболее эффективной ее работе: ^ = 0,234, Км = 0,635, Кю = 0,564 и Е = 0,106 при N = 0,251 Вт.

Таблица 3.26

Результаты измерений параметров модели М-5мсп-6э, испытываемой

при и = 4,0 м/с

Сила, Н Момент, Нм М/МтаХ Обороты, об/мин Угловая скорость, рад/с ю Ю тах Мощность модели N Вт Мощность традиц. Установки Вт Е

Р Ы=Р^ Км п ю Кю N N Е

2,2 0,0286 1 24 2,512 0,103 0,072 1,069 0,03

2,2 0,028 0,983 18 1,884 0,077 0,053 1,069 0,022

2,046 0,0266 0,930 36 3,768 0,154 0,100 1,069 0,042

2,046 0,0266 0,930 48 5,024 0,205 0,134 1,069 0,056

1,969 0,0256 0,896 54 5,652 0,231 0,145 1,069 0,061

1,969 0,0256 0,896 66 6,908 0,282 0,177 1,069 0,074

1,931 0,0251 0,878 78 8,164 0,333 0,205 1,069 0,086

1,738 0,0226 0,791 78 8,164 0,333 0,185 1,069 0,078

1,777 0,0231 0,809 96 10,048 0,410 0,232 1,069 0,097

1,623 0,0211 0,739 108 11,304 0,461 0,239 1,069 0,101

1,392 0,0181 0,635 132 13,816 0,564 0,251 1,069 0,106

1,085 0,0141 0,496 150 15,7 0,641 0,222 1,069 0,093

0,746 0,0097 0,339 192 20,096 0,820 0,195 1,069 0,082

0,169 0,0022 0,078 234 24,492 1 0,055 1,069 0,023

Таблица 3.27

Результаты параметров модели М-5мсп-6э, испытываемой при и = 5,3 м/с

Сила, Н Момент, Нм М/МтаХ Обороты, об/мин Угловая скорость, рад/с ю Ютах Мощность модели м, Вт Мощность традиц. установки Мт, Вт Е

Р Ы=Р^ Км п ю Кю N Мт Е

0,077 0,001 0,019 330 34,54 1 0,034 2,538 0,006

1,338 0,0174 0,330 237 24,806 0,718 0,431 2,538 0,076

1,985 0,0258 0,491 201 21,038 0,609 0,544 2,538 0,096

2,254 0,0293 0,557 186 19,468 0,564 0,571 2,538 0,101

2,677 0,0348 0,660 162 16,956 0,491 0,590 2,538 0,105

3,208 0,0417 0,792 132 13,816 0,4 0,577 2,538 0,102

3,669 0,0477 0,906 102 10,676 0,309 0,509 2,538 0,09

3,785 0,0492 0,934 69 7,222 0,209 0,355 2,538 0,063

3,938 0,0512 0,972 66 6,908 0,2 0,354 2,538 0,063

3,938 0,0512 0,972 51 5,338 0,154 0,273 2,538 0,048

3,861 0,0502 0,953 33 3,454 0,1 0,173 2,538 0,031

4,015 0,0522 0,991 33 3,454 0,1 0,180 2,538 0,032

4,054 0,0527 1 33 3,454 0,1 0,182 2,538 0,032

4,054 0,0527 1 24 2,512 0,073 0,132 2,538 0,023

С повышением скорости воздушного потока до 5,3 м/с модель показала коэффициент эффективности Км = 0,232, а коэффициенты момента и угловой скорости при наиболее эффективной работе модели были равны Км = 0,66, Кю = 0,491 и Е = 0,105 при N = 0,59 Вт.

Наибольшая скорость воздушного потока, при которой испытывалась модель М-5мсп-6э, соответствовала 7,9 м/с. При этой скорости воздушного потока модели показали наивысшую эффективность работы. В частности, для модели М-5мсп-6э Км = 0,269 и Е = 0,121, а коэффициенты момента и угловой скорости вращения при наиболее эффективной работе модели были равны Км = 0,774, Кю = 0,475 при N = 2,229 Вт (см табл. 3.28).

Таблица 3.28

Результаты измерений параметров модели М-5мсп-6э, испытываемой при и

= 7,9 м/с

Сила, H Момент, Нм М/МтаХ Обороты, об/мин Угловая скорость, рад/с © © max Мощность модели щ, Вт Мощность традиц. установки Щ, Вт Е

Р M=P*R Км n ю Кю N Щт Е

2,331 0,0303 0 480 50,24 1 0,000 8,294 0

2,869 0,0373 0,251 396 41,448 0,825 1,256 8,294 0,068

3,631 0,0472 0,309 390 40,82 0,812 1,521 8,294 0,082

4,585 0,0596 0,391 360 37,68 0,75 1,779 8,294 0,096

5,354 0,0696 0,494 321 33,598 0,669 2,003 8,294 0,109

6,231 0,081 0,576 294 30,772 0,612 2,141 8,294 0,116

7,185 0,0934 0,671 261 27,318 0,544 2,212 8,294 0,120

7,954 0,1034 0,774 228 23,864 0,475 2,229 8,294 0,121

9,1 0,1183 0,856 174 18,212 0,362 1,882 8,294 0,102

9,285 0,1207 0,979 132 13,816 0,275 1,634 8,294 0,089

Анализ графиков зависимости мощности модели (Щ) от скорости воздушного потока показывает, что при малых скоростях воздушного потока (2,8-4,0 м/с), модель М-5мсп-6э показала низкую эффективность с коэффициентами (Кщ), в пределах от 0,209 до 0,234. Повышение скорости воздушного потока в пределах и = 4,0.7,9 м/с, приводило к повышению эффективности работы моделей (см. рис.3.37). Это подтверждает коэффициент (Кщ), изменяющийся от Кщ = 0,232 при и = 5,3 м/с до Кщ = 0,269 при и = 7,9 м/с, а коэффициент эффективности работы модели (Е) возрос от 0,105 при и = 4,0 м/с до Е = 0,121 при и = 7,9 м/с (см. рис.3.36-3.37 и табл.3.29).

Наивысшая эффективность модели во всем диапазоне изменения испытываемых скоростей воздушного потока была зафиксирована с коэффициентами занесенными в табл.3.29. Зависимость мощности модели (Щ, Вт) от изменения коэф-

фициентов Км и Кю, которая представлена на рис. 3.31-3.35.

В табл. 3.29 приведены основные характеристики моделей М-3мсп-6э, М-4мсп-6э и М-5мсп-6э со стеклопластиковыми лопастями. Анализ представленных параметров показывает, что при наиболее эффективной работе моделей с увеличением скорости воздушного потока прослеживается тенденция повышения коэффициента (Км), несмотря на то, что были отмечены и некоторые исключения см. рис. 3.35.

Анализ изменения коэффициента (Кю) показал, что с увеличением скорости воздушного потока во всех моделях была установлена либо сравнительная стабилизация значений см. рис. 3.35.

Таблица 3.29

Сравнение эффективности работы моделей, оборудованных 3-х, 4-х и 5-ти лопастным, ротором со стеклопластиковыми лопастями

Kм, Кю» КМ [/=2,8 м/с [=3,5 м/с [=4,0 м/с [=5,3 м/с [=7,9 м/с

Км 3 0,551 0,797 0,6 0,801 0,890

Км 4 0,5 0,725 0,667 0,746 0,838

Км 5 0,69 0,558 0,635 0,66 0,774

Кю 3 0,548 0,558 0,633 0,545 0,588

Кю 4 0,731 0,528 0,929 0,54 0,497

Кю 5 0,462 0,773 0,564 0,491 0,475

КЫ 3 0,201 0,280 0,272 0,388 0,467

КЫ 4 0,267 0,234 0,299 0,343 0,397

Кк 5 0,211 0,209 0,234 0,232 0,269

N. Вт 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 ОД 0,05 О

■ ■

г ■ 1

■

V" ■

/

/ \

/ с п \

/ / □ 4 С с ■

/ / ♦ ♦ Ч] и

и

- - - - —" О

:м/мт

О ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

О £/=2,8 ♦ £/=3,5 □ £/=4,0 ■ £/=5,3

Рис.3.31. Зависимость между величиной Км = М/Мтах и мощностью модели М-5мсп-6э при скоростях воздушного потока от 2,8 до 5,3 м/с

Рис. 3.32. Зависимость между величиной Км = М/Мтах и мощностью модели М-5мсп-6э при скорости воздушного потока 7,9 м/с

МВт 0,6

1 \

.X

/ / \

■ \

\ х

\

п \

__и_ □

} 1 А- п

/ _ 4 \ о

Л ♦ о

- ^ " 5 "" ^ - ^ - I

0,55 0,5 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0; О ¿7=2,8 ♦ £/=3,5 □ £/=4,0 - £/=

7 0,8 0,9 1 5,3 00/00^

Рис. 3.33. Зависимость между величиной Кю = ю/ютах и мощностью модели М-5мсп-6э при скоростях воздушного потока от 2,8 до 4,0 м/с

Рис. 3.34. Зависимость между величиной Кю = ю/ютах и мощностью модели М-5мсп-6э при скорости воздушного потока 7,9 м/с

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

< > ♦

♦ —

* Г---- - — — — -

о О — О

2,5

3,5

4,5

Км о К

ш

5,5 6 6,5 7 7,5 8

17> м/с

Рис. 3.35. Изменение коэффициентов Км и Кт с увеличением скорости воздушного потока при испытании модели М-5мсп-6э

4 3,5 3

2,5 2 1,5 1

0,5 0

л; Вт

/

/

/

/ 7 А /

// / /

у у / /

ж

и. м/с

1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 ♦-Змсп-бэ •- 4мсп-6э А---5мсп-6э

Рис.3.36. Сравнение эффективности работы моделей с 3-мя, 4-мя, 5-ю лопастями и соответственно коэффициентами Кз = 0,3, Кз = 0,4 и Кз = 0,5

Е

0,25 0,225 0,2 0,175 0,15 0,125 0,1 0,075 0.05

♦

* * _ __ . А

и - - .--- "" А ' н —■ ' "

Г — — 1 1

2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 ♦-Змсп-бэ •- 4мсп-6э А---5мсп-6э

Рис.3.37. Сравнение коэффициентов эффективности работы моделей

с 3-мя, 4-мя, 5-ю лопастями

ВЫВОДЫ

Оценивая результаты испытаний моделей с малыми стеклопластиковыми лопастями, можно сделать следующие выводы:

1. Для успешного запуска и эффективной работы ветротурбина должна быть оборудована не менее чем 3-мя или 4-мя лопастями 2-ой или 4-ой моделей с коэффициентом заполнения ротора модели лопастями Кз = 0,3.. .0,5.

2. Снижение массы лопастей резко повышает эффективность работы ветро-турбины. Это подтверждается сравнением испытаний моделей, оборудованными металлическими и стеклопластиковыми лопастями, с одинаковыми размерами и их количеством в ветротурбине. Замена металлических лопастей на стеклопласти-ковые позволила уменьшить массу одной лопасти в 2,36 раза. Одновременно было выполнено уменьшение массы двух опорных колец в 1,33 раза. Это позволило повысить эффективность работы модели (Е) М-3мсп-6э при и = 3,5 м/с Е = 0,132 и = 4,0 м/с Е = 0,124 и = 5,3 м/с Е = 0,184 и = 7,9 м/с Е = 0,216 в сравнении с моделью М-3мл-5э при и = 3,7 м/с Е = 0,0082, и = 6,14 м/с Е = 0,0196, и = 7,05 м/с Е = 0,0237, и = 9,44 м/с Е = 0,0604, и = 12,63 м/с Е = 0,165. Отметим также, что при увеличении скорости воздушного потока в модели М-3мсп-6э увеличивались угловая скорость вращения ветротурбины и вращающий момент. Сравнение см. табл. 3.30

Таблица 3.30

Оценка влияния массы ветротурбины на эффективность ее работы

М-3мл-5э М-3мсп-6э

и, м/с М, Нм ю, рад/с N Вт и, м/с М, Нм ю, рад/с N Вт

3,7 0,0048 3,14 0,0151 2,8 0,0067 10,676 0,072

6,14 0,0187 8,792 0,1644 3,5 0,0137 15,072 0,206

7,05 0,0185 16,328 0,3021 4,0 0,015 19,468 0,2902

9,44 0,084 21,98 1,846 5,3 0,0402 24,81 0,986

12,63 0,529 22,817 12,095 7,9 0,1029 37,68 3,875

3. Повышение скорости воздушного потока влияло на увеличение коэффициента Км = М/Мтах, а коэффициент Кю = ю/ютах либо был сравнительно стабильным (М-3мсп-6э), либо снижался (М-4мсп-6э, М-5мсп-6э) при этом угловая скорость вращения ротора и вращающий момент возрастали.

4. Изменения коэффициента заполнения ротора лопастями (Кз) достигался изменением количества и размеров лопастей. Проверка эффективности работы моделей с различным заполнением объема ротора малыми стеклопластиковыми лопастями показала, что модели по эффективности сработали почти одинаково: в модели с КЗ = 0,3, которая была оборудована 3-мя лопастями, среднее значение Еср = 0,15; в модели с Кз = 0,4 Еср = 0,139; в модели с КЗ = 0,5 Еср = 0,104. Модель М-3мсп-6э была эффективнее при и = 3,5 м/с, и = 5,3 м/с, и = 7,9 м/с соответственно Еср = 0,132, Еср = 0,184, Еср = 0,216, а при и = 2,8 м/с и и = 5,3 м/с эффективнее сработала модель М-4мсп-6э соответственно Е = 0,118, Е = 0,154.

5. Увеличение скорости воздушного потока (и, м/с) повышает эффективность работы моделей ветротурбины.

3.4.3. Экспериментальное определение мощности модели различной конструктивной комплектации

3.4.3.1. Экспериментальное определение мощности модели с тремя большими стеклопластиковыми лопастями и шестью ветронаправляющими экранами

Для дальнейшего исследования работы модели с различным заполнением ротора лопастями, были изготовлены стеклопластиковые лопасти 2-й модели большего размера, описание которых дается в табл. 3.31 [107, 114, 115].

Таблица 3.31

Конструкции малых моделей ветротурбины с большими стеклопластиковыми лопастями, испытываемых в аэродинамической трубе

Модель ветротурбины, оборудованная 3-мя большими стеклопластиковыми лопастями М-3бсп-6э и 6-ю ветронаправляющими экранами.

Большая стеклопластиковая лопасть с массой 89,4 гр, R = 9,9 см, высота лопасти 22,3 см 2 опорных кольца 365 гр R = 10,5 см Леска 2 гр R = 8,0 см 3х - лопастной ротор массой 633,2 гр 4х - лопастной 723 гр 5ти - лопастной 813 гр.

Модель ветротурбины, оборудованная 5-ю большими стеклопластико-выми лопастями М-5бсп-6э и 6-ю ветронаправляющими экранами.

Эксперимент начался испытанием модели М-3бсп-6э, с заполнением ротора 3-мя лопастями, коэффициент заполнения ротора составил Кз = 0,61. Этот коэффициент оказался несколько выше, чем в модели М-5мсп-6э, для которой он составил Кз = 0,5 (см. табл.3.16). Результаты испытаний модели занесены в табл.3.32-3.37.

Анализ табл. 4.23 показывает, что стеклопластиковые лопасти большего размера могут быть использованы в модели и соответственно ВО ВЭУ в условиях малых природных скоростей ветра. В частности, испытания при скорости 1,6 м/с доказывают, что способность такой конфигурации модели работать эффективно с коэффициентом Е = 0,165 (см. табл.3.32). При испытании модели при такой скорости был зафиксирован сравнительно небольшой вращающий момент на валу ротора (Мв = 0,00394 Нм), а количество оборотов ротора составило п = 60 об/мин. Повышение скорости воздушного потока до и = 2,5 м/с показало большую эффективность модели с коэффициентом Е = 0,168 повышение вращающего момента до М = 0,0089 Нм и повышение количества оборотов вращения ротора до п = 102 об/мин, а мощность 0,0955 Вт (см. табл.3.33).

Таблица 3.32

Результаты измерений параметров модели М-3бсп-6э, испытываемой при и = 1,6 м/с

Сила, Н Момент, Нм М/Мта X Обороты, об/мин Угловая скорость, рад/с ю Ютах Мощность модели N Вт Мощность традиц. Установки Вт Е

Р Ы=Р^ Км п ю Кю N N Е

0,1154 0,0015 0,151 78 8,168 1 0,0123 0,0669 0,083

0,2308 0,003 0,303 66 6,911 0,846 0,0207 0,0669 0,139

0,3 0,0039 0,394 60 6,283 0,769 0,0245 0,0669 0,165

0,4231 0,0055 0,555 28 2,932 0,359 0,01612 0,0669 0,108

0,5769 0,0075 0,757 12 1,257 0,154 0,00942 0,0669 0,063

0,7615 0,0099 1 0 0 0 0 0,0669 0

Таблица 3.33

Результаты измерений параметров модели М-3бсп-6э, испытываемой

при и = 2,5 м/с

Сила, Н Момент, Нм М/Мта X Обороты, об/мин Угловая скорость, рад/с ю ю тах Мощность модели N Вт Мощность традиц. Установки Вт Е

Р Ы=Р^ Км п ю Кю N N Е

0,2307 0,003 0,151 168 17,584 1 0,0528 0,2553 0,093

0,4615 0,006 0,301 126 13,188 0,75 0,0792 0,2553 0,14

0,6846 0,0089 0,447 102 10,68 0,607 0,0955 0,2553 0,168

0,8385 0,0109 0,548 78 8,164 0,464 0,0890 0,2553 0,157

р M=P*R Км п ю Кю N N Е

0,8769 0,0114 0,573 60 6,28 0,357 0,0716 0,2553 0,126

0,9538 0,0124 0,623 48 5,024 0,286 0,0623 0,2553 0,11

1,0308 0,0134 0,673 14 1,465 0,083 0,0196 0,2553 0,034

1,5307 0,0199 1 0 0 0 0 0,2553 0

Следующие испытания модели проводились при скорости воздушного потока и = 3,3 м/с. Результаты испытаний занесены в табл.3.34. Из таблицы видно, что наиболее эффективная работа модели зафиксирована с вращающим моментом на валу ротора М = 0,0196 Нм, коэффициент Км = 0,616, что выше значений, полученных при скоростях и = 1,6 и 2,5 м/с,. Возросло количество оборотов ротора до п = 114 об/мин, а коэффициент (Кю) снизился и составил Кю = 0,543. Отметим также, что эффективность модели повысилась Е = 0,179.

Таблица 3.34

Результаты измерений параметров модели М-3бсп-6э, испытываемой

при и = 3,3 м/с

Сила, Н Момент, Нм М/Мта X Обороты, об/мин Угловая скорость, рад/с ю ю тах Мощность модели N Вт Мощность традиц. Установки Вт Е

Р Ы=Р^ Км п ю Кю N N Е

0,1538 0,002 0,063 210 21,99 1 0,044 0,5872 0,034

0,8383 0,0109 0,343 162 16,96 0,771 0,185 0,5872 0,142

1,0306 0,0134 0,421 138 14,45 0,657 0,194 0,5872 0,149

1,3385 0,0174 0,547 127 13,30 0,605 0,231 0,5872 0,177

1,4154 0,0184 0,579 121 12,67 0,576 0,233 0,5872 0,178

1,4231 0,0185 0,582 119 12,46 0,567 0,230 0,5872 0,176

1,4538 0,0189 0,594 116 12,15 0,552 0,230 0,5872 0,176

р M=PxR Км п ю Кю N N Е

1,5077 0,0196 0,616 114 11,938 0,543 0,234 0,5872 0,179

1,6076 0,0209 0,657 84 8,80 0,400 0,184 0,5872 0,141

1,777 0,0231 0,726 36 3,77 0,171 0,087 0,5872 0,067

1,992 0,0259 0,814 24 2,51 0,114 0,065 0,5872 0,05

2,446 0,0318 1 0 0 0 0 0,5872 0

Таблица 3.35

Экспериментальные параметры модели М-3бсп-6э при и = 4,0 м/с

Сила, Н Момент, Нм М/Мта X Обороты, об/мин Угловая скорость, рад/с ю ю тах Мощность модели N Вт Мощность традиц. установки Вт Е

Р М=Р^ Км п ю Кю N N Е

7,677 0,0998 1 0 0 0 0 1,046 0

7,238 0,0941 0,943 16 1.676 0,061 0,167 1,046 0,072

6,538 0,085 0,851 29 3,04 0,111 0,285 1,046 0,122

6,277 0,0816 0,801 36 3,77 0,138 0,319 1,046 0,137

5,269 0,0685 0,686 41 4,293 0,157 0,349 1,046 0,150

4,277 0,0556 0,554 54 6,655 0,243 0,386 1,046 0,166

4,008 0,0521 0,522 70 7.33 0,268 0,408 1,046 0,175

3,561 0,0463 0,464 71 7.435 0,272 0,388 1,046 0,170

2,954 0,0384 0,385 85 8.901 0,326 0,413 1,046 0,178

2,138 0,0278 0,278 98 10.262 0,375 0,395 1,046 0,170

1,984 0,0258 0,258 139 14.556 0,522 0,404 1,046 0,174

1,800 0,0234 0,234 152 15.917 0,582 0,412 1,046 0,177

1,800 0,0234 0,235 166 17.383 0,636 0,408 1,046 0,175

1,646 0,0214 0,214 186 19,44 0,711 0,416 1,0457 0,179

р M=P*R Км п ю Кю N N Е

1,531 0,0199 0,199 194 20.315 0,743 0,404 1,046 0,174

1,185 0,0154 0,154 216 22.619 0,828 0,349 1,046 0,15

0,538 0,00699 0,069 228 23.876 0,874 0,167 1,046 0,072

0,077 0,001 0,010 258 27.02 0,989 0,027 1,046 0,012

0 0 0 261 27,33 1 0 1,046 0

Испытания модели М-3бсп-6э в воздушном потоке со скоростью и = 4,0 м/с показали результаты, занесенные в табл. 3.35. Анализ результатов эксперимента подтверждает закономерность повышения величины вращающего момента М = 0,0214 Нм (Км = 0,214) с повышением скорости воздушного потока и повышение количества оборотов ротора п = 186 об/мин, а также некоторое повышение коэффициента Кю = 0,711 при мощности 0,416 Вт.

Следует отметить также, что и эффективность модели повысилась Е = 0,179.

Следующей ступенью испытания модели М-3бсп-6э было обдувание ее воздушным потоком при скорости и = 5,4 м/с. Результаты эксперимента представлены в табл. 3.36.

Таблица 3.36

Результаты измерений параметров модели М-3бсп-6э, испытываемой

при и = 5,4 м/с

Ско рость, м/с Момент, Нм МУ/Мтах Обороты, об/мин Угловая скорость, рад/с ю ю тах Мощность модели N Вт Мощность традиц. Установки Вт Е

и М=Р^ Км п ю Кю N N Е

5,4 0,0005 0,009 366 38,308 1 0,01903 2,581 0,0006

5,4 0,0338 0,629 219 22,922 0,598 0,7748 2,581 0,135

5,4 0,0427 0,796 171 17,898 0,467 0,76478 2,581 0,133

5,4 0,0482 0,898 144 15,072 0,393 0,72640 2,581 0,127

5,4 0,0507 0,944 93 9,734 0,254 0,49332 2,581 0,086

и M=PxR Км п ю Кю N N Е

5,4 0,0507 0,954 42 4,396 0,115 0,22279 2,581 0,039

5,4 0,0537 1 0 0 0 0 2,581 0

Анализируя данные, приведенные в табл. 3.36, легко видеть, что величина вращающего момента на валу ротора при наиболее эффективной работе модели М-3бсп-6э значительно выросла (М = 0,0338 Нм). Коэффициент Км = 0,629 оказался выше, чем при скорости и = 4,0 м/с (Км = 0,214). Количество оборотов ротора выросло значительно (п = 219 об/мин), что способствовало и росту коэффициента Кю = 0,598. Мощность N = 0,7748 Вт коэффициент эффективной работы модели Е = 0,135. Последним этапом испытаний модели М-3бсп-6э было обдувание ее воздушным потоком при скорости и = 7,9 м/с. Полученные показания занесены в табл.3.37. Результаты эксперимента подтвердили тенденцию увеличения вращающего момента на валу ротора (М = 0,497 Нм Км = 0,376), увеличения числа оборотов ротора (п = 280 об/мин) и некоторого снижения коэффициента Кю = 0,517. Мощность N = 1.467 Вт коэффициент эффективности Е = 0,726. Во всем диапазоне испытываемых скоростей воздушного потока модель показала среднюю эффективность с коэффициентом эффективности работы модели Е = 0,164.

Таблица 3.37

Результаты измерений параметров модели М-3бсп-6э, испытываемой

при и = 7,9 м/с

Ско рость, м/с Момент, Нм М/Мта X Обороты, об/мин Угловая скорость, рад/с ю Ю тах Мощность модели N Вт Мощность традиц. установки Вт Е

и M=PxR Км п ю Кю N N Е

7,9 0,0002 0,0015 546 57,148 1 0,0114 8,357 0,0006

7,9 0,0147 0,1112 518 54,274 0,9497 0,7978 8,357 0,043

и M=P*R Км п ю Кю N N Е

7,9 0,0222 0,1679 475 49,762 0,8708 1,1047 8,357 0,0595

7,9 0,0306 0,2315 353 36,936 0,6463 1,1302 8,357 0,0608

7,9 0,0436 0,3298 295 30,936 0,5413 1,3488 8,357 0,0726

7,9 0,0497 0,376 280 29,52 0,517 1,467 8,357 0,0726

7,9 0,0497 0,3759 279 26,22 0,4588 1,3031 8,357 0,0702

7,9 0,063 0,4766 212 20,284 0,3549 1,2779 8,357 0,0688

7,9 0,062 0,469 206 21,596 0,3779 1,339 8,357 0,0721

7,9 0,0684 0,5174 192 19,044 0,3332 1,3026 8,357 0,0701

7,9 0,0819 0,6195 186 16,516 0,289 1,3527 8,357 0,0728

7,9 0,0928 0,702 155 14,27 0,2497 1,3243 8,357 0,0713

7,9 0,1153 0,8722 108 11,304 0,1978 1,3034 8,357 0,0701

7,9 0,1322 1 60 6,28 0,1099 0,8302 8,357 0,0044

0.5 0,45 0,4

0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1

0,05

М, Вт

/ Л А

А А

я. ж 1

Ч А

А

д \ А

/ / \ \ \

/ / . □ ____1 □ □ Л \ ч \

¿X а • > ^

1- 0, 1 0, 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 ,3 0 ¡1 .9

щ

МАХ

О и= 1.6 м/с □ и= 2,5 м/с Д и = 3.3 м/с А Е/ = 4,0 м/с

Рис.3.37. Зависимость между величиной Км = М/Мтах и мощностью модели М-3бсп-6э при скоростях воздушного потока (V от 1,6 до 4,0 м/с

1.6

1,4

1.2