Исследование влияния концентратора воздушного потока на энергетические показатели модели вертикально-осевого роторного ветродвигателя

Введение. Постоянный рост цен топливных ресурсов заставляет удалённых от энергосетей сельскохозяйственных потребителей использовать альтернативные и возобновляемые источники, к которым относятся солнце и ветер [1]. Использование солнечных панелей и ветроэлектрических станций (ВЭС) уже давно не новинка [2, 3].

ВЭС рентабельны при среднегодовой скорости ветра больше 5 м/с [4, 5]. Одним из способов повышения эффективности ВЭС в регионах с малыми среднегодовыми скоростями ветра является использование концентраторов воздушного потока (КВП), обеспечивающих усиление аэродинамического взаимодействия набегающего воздушного потока с ротором ВЭС.

В последнее время разработано большое количество предложений по применению в конструкциях ветроэнергетических установок (ВЭУ)

дополнительных устройств (концентраторов воздушного потока, поток формирующих элементов), призванных повысить эффективность использования ветровой энергии [6, 7]. Однако отсутствуют данные о их влиянии на основные энергетические характеристики ВЭУ, а также недостаточно разработаны методики, позволяющие выбрать оптимальные параметры этих устройств.

Цель исследований и испытаний предусматривает определение энергетических показателей модели вертикально-осевого роторного ветродвигателя с концентратором воздушного потока в зависимости от угла установки на нем плоских вертикальных направителей с использованием аэродинамической трубы.

Методика исследования. Для проведения научных исследований эффективности КВП была разработана и изготовлена лабораторная установка (рисунки 1 и 2).

а

б

а – схема установки; б – общий вид

1 – диск; 2 – ось; 3 – лопасти (сбоку не показаны); 4 – концентратор воздушного потока;

5 – плоские вертикальные направители; 6 – нить; 7 – блок; 8 – груз; 9 – прерыватель; 10 – опора; 11 – преобразователь частоты; 12 – вентилятор; 13 – счетчик оборотов; 14 – анемометр; 15 – труба Рисунок 1 – Схема и общий вид лабораторной установки для исследования эффективности КВП в зависимости от расположения плоских вертикальных направителей

1 – диск; 2 – ось; 3 – лопасти; 4 – концентратор воздушного потока; 5 – плоские вертикальные направители Рисунок 2 – Схема установки углов наклона плоских вертикальных направителей на лабораторной установке при испытании модели ротора ветродвигателя с КВП

Установка состоит из модели ротора ветродвигателя, помещенной в аэродинамическую трубу, которая имеет трехлопастной ротор с определенными конструкционными и энергетическими характеристиками [8] и непосредственно КВП с возможностью установки угла наклона плоских направителей α в позициях 1, 2, 3, 4 (рисунок 3).

Работает лабораторная установка следующим образом (рисунок 1). При включении вентилятора 12 через преобразователь частоты 11 поток воздуха, проходя вдоль плоских вертикальных направителей 5 концентратора воздушного потока 4, воздействует на лопасти 3, установленные на диске 1. Под воздействием направленного потока воздуха лопасти 3 испытывают давление и стремятся привести диск 1

во вращательное движение. При этом диск 1 воздействует на нить 6, переброшенную через блок 7, стремясь поднять груз 8. Величина груза 8, которую может сдвинуть вращающийся диск 1, определяет момент трогания, создаваемый лопастями 3 под воздействием воздушного потока. Число оборотов и время поднятия груза регистрируются с помощью прерывателя 8 счетчиком числа оборотов 13.

Лабораторные испытания проводили в следующем порядке. Предварительно установили лопасти ротора 3 в позиции 3, плоские направители 5 в позиции 1. Скорость ветрового поток измерялась анемометром UT362 в пределах 9 м/с и регулировалась частотным преобразователем 11 вентилятора 12. Величина груза 8, который может сдвинуть вращающийся диск 1, подбиралась экспериментально. Частота вращения диска 1 регистрировалась счетчиком оборотов 13. Испытания проводились в пятикратной повторности с их рандомизацией. Полученные данные позволили определить крутящий момент на валу ротора в каждом из экспериментов, проводимых в позициях вертикальных направителей 1, 2, 3, 4, изменяющих их угол наклона к направлению ветрового потока соответственно 25°, 30°, 35°, 40°.

Определение эффективности кольцевого КВП потока сводится к определению крутящего момента, создаваемого трехлопастным ветродвигателем в зависимости от угла наклона плоских вертикальных направителей по отно- шению к направлению ветрового потока [9, 10]. Комплект оборудования для проведения исследования (см. рисунок 1 б) включает также контрольно-измерительную аппаратуру, приборы для регистрации опытных данных.

Определение мощности на валу ветродвигателя производили косвенно через массу груза и число оборотов.

Величина крутящего момента М кр , Н·м , определяется выражением по формуле

М кр = m • g • l ,           (1)

где m – масса груза, кг;

g – ускорение свободного падения, равное

9,81 м/с2;

l – длина плеча от точки крепления нити до оси вращения, м.

Мощность, развиваемая моделью трехлопастного ветродвигателя с КВП, находили по формуле

N = М кр • 2 п • п /60 ,       (2)

где n – число оборотов, мин^-1.

Результаты лабораторных исследований и их обсуждение. Авторами работы оценивалось влияние положения плоских вертикальных направителей КВП на энергетические показатели модели вертикально-осевого роторного трехлопастного ветродвигателя, имеющего лучшие энергетические характеристики.

Рисунок 3 – Зависимость мощности ротора N от положений в позициях

Лабораторные испытания трехлопастной модели роторного ветродвигателя с КВП (рисунок 3) свидетельствуют о том, что при соблюдении рекомендованных пропорций линейных размеров лопастей и их взаимного расположения, определенных по отношению к радиусу ротора модели ветродвигателя, достигается максимальная мощность, соответствующая 2-й позиции плоских вертикальных направителей при скорости воздушного потока 9 м/с.

В позиции 2 угол наклона вертикальных направителей составляет α = 30°. При этом площадь прохождения воздушного потока между внутренними кромками лопастей составляет S = 0,073 м² и соответствует углу α сектора лопасти, равному 18°, представляющему собой угол раскрытия лопасти, обеспечивающий необходимое проходное сечение между внутренними кромками лопастей, достаточное для массового расхода воздушного потока при заданных параметрах ротора.

Выводы. Используя полученные результаты лабораторных испытаний модели роторного ветродвигателя с КВП, представилась возможность изготовить вертикально-осевую роторную ВЭУ с двумя роторами и кольцевым концентратором воздушного потока, испытания которой в натурных условиях подтвердили правильность принятых решений.

Применение КВП позволит сделать рентабельным эксплуатацию РВУ при среднегодовых скоростях ветрового потока от 4–5 м/с.