Применение компьютерного моделирования ветроэнергетической установки

В настоящее время ветроэнергетика является самой быстроразвивающейся отраслью в мировой электроэнергетики. Одной из проблем разработки ветроэнегетических установок (ВЭУ) является подведение теоретической базы создания систем технического устройства эффективно преобразующего энергию ветра. Существует ряд трудностей на пути развития и широкого применения автономных установок.

Создание и разработка ветроэнергетических установок (ВЭУ) малой мощности связаны с решением ряда сложных как научных, так и практических задач:

• -    установления рациональных режимов работы ветроустановки при малых скоростях ветра;

• -    поиск и разработка конструкции генератора, стабильно работающего в условиях малых ветров;

• -    разработка методов расчета эффективности ВЭУ с учетом динамического взаимодействия с ветроколесом;

• -    моделирование аэродинамических процессов.

Многие задачи, с которыми приходится в настоящее время сталкиваться исследователям и инженерам, не поддаются аналитическому решению, либо требуют огромных затрат на экспериментальную реализацию. Зачастую единственной возможностью экспрессного анализа инженерной проблемы является компьютерное моделирование ветроустановки.

Рассмотрены несколько вариантов задачи моделирования обтекания ветроустановок:

• -    традиционнаяветроустановка с одним ротором и двухроторнаяветроустановка (первое ветроколесо одинаково по диаметру со вторым ветроколесом);

• -    двухроторнаяветроустановка с разными по диаметру ветроколесами, с учетом близости земли и без учета, при наличии схематизированной башни и без нее, с учетом обтекания гондолы, установлнной вверх по потоку от ротора, и без учета.

Комплекс вычислений проведен в программном комплексе ANSYS Fluent. Геометрия модели традиционной ВЭУ с одним ротором в программном комплексе ANSYS DesignModeler приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Геометриямодели однороторной ВЭУ в ANSY DesignM odeler

а)                        б)

Рисунок 2 – Геометриямодели двухроторной ВЭУ в ANSYS DesignModeler: а) ВЭУ с одинаковыми ветроколесами; б) ВЭУ с разными ветроколесами

На рисунке 2 приведенадвухроторна-яветроустановка с контр вращением лопастей, построенная в программном комплексе ANSYS DM для дальнейшего создания физической и математической модели, выбора расчетных областей и подобластей, проведения цикла методических и параметрических расчетов.

Для экономии времени за счет визуализации общей структуры всего проекта предлагается использование схематического представления ВЭУ (рис. 3) в среде ANSYS Workbench. Расчетные модули содержат все необходимые компоненты и позволяют создать всю систему расчета. Формирование связей в схеме ветроэнергетической установки позволяет осуществлять обмен между различными физическими задачами и импортировать нагрузку из расчета в расчет.

Рисунок 3 – Схемапроекта расчета лопасти ветро-колеса в ANSYS Workbench

В ANSYS Fluent представлено большое число моделей турбулентности. Модели ламинарно-турбулентного перехода позволяют предсказать смену режимов в пограничном слое. Эксперименты проводились для трех скоростей, соответственно для 3 м/с, 5м/с, 7 м/с результаты представлены в таблицах 1 ^ 3.

В таблице 4 приведены результаты расчетов коэффициента использования энергии ветра (Киэв), выполненные согласно предложенным моделям ветроэнергетических установок.

Согласно полученным результатам (таблица 4) коэффициент использования энергии ветра ( К иэв ) у двухроторонойветро-установки с контр вращением при разных диаметрах ветроколеса больше, чем коэффи-циентиспользования энергии ветра однороторной ветроустановки традиционного типа, но уступает по характеристикам двухротор-нойветроустановки с контр вращением при одинаковых диаметрах. Модель двухроторной ВЭУ с контр вращением при одинаковых ветроколеса является более эффективной по

О.Б. Тихонова, Д.В. Русляков, Л.В.Ларина, Я.С.Давыдов сравнению с первым и третьим вариантом моделирования.

Таблица 1 – Зависимостькрутящего момента и мощности ВЭУ при скорости ветра 3 м/с

Вариант моделирования	№ ветроколе-са	Крутящий момент, кгс•м	Мощность, Вт
1 ВК	1	0,042	0,011
1 ВК = 2 ВК	1	0,028	0,008
	2	0,026	0,007
1 ВК < 2ВК	1	0,015	0,004
	2	0,084	0,022

Таблица 4 – Результаты К ИЭВ в комплексе

ANSYS

Метод моделирования	Киэв ВЭУ при 3 м/с, %	Киэв ВЭУ при 5 м/с, %	Киэв ВЭУ при 7 м/с, %
Однороторная ВЭУ	39,1	40,7	42,0
Двухроторная ВЭУ с контр вращением ВК, при 1 ВК = 2 ВК	52,2	53,8	55,1
Двухроторная ВЭУ с контр вращением ВК, при 1 ВК < 2 ВК	41,1	42,5	44,5

Таблица 2 – Зависимость крутящего момента и мощности ВЭУ при 5 м/с

Вариант моделирования	№ ступени	Крутящий момент, кгс•м	Мощность, Вт
1 ВК	1	0,243	0,155
1 ВК = 2 ВК	1	0,165	0,105
	2	0,154	0,098
1 ВК < 2ВК	1	0,110	0,070
	2	0,451	0,279

Таблица 3 – Зависимость крутящего момента и мощности ВЭУ при скорости ветра 7 м/с

Вариант моделирования	№ ветроколе-са	Крутящий момент, кгс•м	Мощность, Вт
1 ВК	1	0,121	0,055
1 ВК = 2 ВК	1	0,082	0,037
	2	0,076	0,035
1 ВК < 2ВК	1	0,055	0,025
	2	0,208	0,092

Таким образом, очевидно, что компьютерное моделирование ветроэнергетической установки поможет заменить физические эксперименты на виртуальные, при допустимой достоверности результатов.