Разработка энергоэффективного турбоветрогенератора на основе эффекта Магнуса
Автор: Лысенко С. И.
Журнал: Агротехника и энергообеспечение @agrotech-orel
Рубрика: Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве
Статья в выпуске: 2 (35), 2022 года.
Бесплатный доступ
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Работа направлена на выявление преимуществ ветроэнергетических установок, основанных на эффекте Магнуса перед ветроустановками других типов в условиях ограниченности ветрового ресурса. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Был сконструирован прототип ветроэнергетической установки в масштабе 1:10, затем проведён эксперимент в лабораторных условиях при скорости ветра в диапазоне от 1 до 7 м/с. В ходе эксперимента были измерены основные технические характеристики прототипа, а затем произведено их сравнение с характеристиками аналогичных разработок. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. В ходе исследования было выявлено, что ветрогенератор на основе эффекта Магнуса достигает мощности 400 Вт. при скорости ветра около 7 м/с., в то время как аналогичные ветрогенераторы достигают её лишь при 11-12 м/с. Так же ветрогенератор на основе эффекта Магнуса обладает большим коэффициентом использования энергии ветра 0,42 против 0,35-0,4 у аналогов. ВЫВОДЫ. Ветрогенератор на основе эффекта Магнуса работает эффективнее аналогов при низких скоростях ветра.
Ветрогенератор на основе эффекта магнуса, коэффициент использования энергии ветра, стартовая скорость, сравнение с аналогами, основные технические характеристики, энергоэффективность, ограниченность ветровых ресурсов
Короткий адрес: https://sciup.org/147238310
IDR: 147238310
Текст научной статьи Разработка энергоэффективного турбоветрогенератора на основе эффекта Магнуса
Введение.
Запасы органического топлива на нашей планете (нефти, газа, угля) быстро сокращаются. По оценкам специалистов при нынешних объемах добычи угля хватит на 400500 лет, а нефти и газа – максимум на 100. Кроме того, опустошение земных недр и сжигание органического топлива уродуют нашу планету и ухудшают экологию. Поэтому человечество вынуждено осваивать нетрадиционные, т.е. возобновляемые и экологически чистые источники энергии [1].
В настоящее время наблюдается возрастающий интерес к автономным автоматизированным ветрогенераторам, которые могут удовлетворять потребности производства и коммунально-бытовых потребителей в электроэнергии. [2, 3]. Наиболее благоприятные условия для развития ветроэнергетики имеются в прибрежных регионах, где среднегодовая скорость ветра порядка 7 м/с. В России к таким зонам относятся побережья морей Тихого и Северного Ледовитого океанов. На континентальной части ветроэнергетические установки практически не используются. Так, Байкальский регион богат ресурсами угля, гидроэнергии, нефти и газа. Поэтому создание ветроэнергетических установок здесь может быть целесообразным лишь при обеспечении экономической эффективности. Отсюда следует, что необходимо повысить коэффициент использования энергии ветра ВЭС, чтобы их эффективность могла стать сопоставимой с эффективностью тепловых электростанций, к которым относятся и АЭС.
Вертикальное исполнение ветровых турбин не является кардинальным решением, несмотря на то, что они приводятся в движение ветрами с гораздо меньшей скоростью. Вместе с тем номинальной мощности вертикальные ветровые турбины достигают лишь при скорости ветра 11-12 м/с. [4].
В данной работе были экспериментально исследованы технические характеристики разработанной ветроэнергетической установки на основе эффекта Магнуса. Затем был произведён сравнительный анализ полученных значений с характеристиками аналогичных ветроустановок вертикального типа.
Цель работы: оценить преимущества ветроэнергетической установки, основанной на эффекте Магнуса перед аналогичными ветроустановками в условия ограниченности ветрового ресурса.
Материалы и методы исследования.
В данном исследовании был спроектирован и разработан прототип ветроэнергетической установки на основе эффекта Магнуса, работа которого обеспечивалась 3 аккумуляторными батареями с номинальным напряжением 12 вольт. Поток ветра в диапазоне от 1 до 7 м/с. генерировался при помощи мощного вентилятора, позволяющего регулировать скорость ветрового потока, и выравнивался при помощи короба длинной 3 м. на концах которого и находились ветрогенератор и вентилятор. Скорость ветра измерялась при помощи цифрового анемометра «МЕГЕОН 11003». Значения тока и напряжения измерялись при помощи цифрового мультиметра «DT-832». На основании этих данных была построена кривая зависимости электрической мощности от скорости ветра. Также была определена минимальная скорость ветра, при которой ветроколесо начинало вращаться (стартовая скорость). Затем по упрощённой формуле (1) был рассчитан коэффициент использования энергии ветра [5]:
N•2080
E =------
C V 3 • D2 ,
Где N — электрическая мощность на клемах генератора, Вт.
-
D — диаметр ветроколеса, м.
-
V — скорость ветра, м/с.
Результаты и обсуждение
Для построения кривой зависимости электрической мощности от скорости ветра было выбрано пять опорных точек со значениями скорости ветрового потока 0, 2, 4, 5, 7. Мощности (400Вт.) разработанная ветроустановка достигает приблизительно при 7 м/с. Стартовая скорость при этом имеет значение приблизительно 1,5 м/с. Кривая зависимости электрической мощности от скорости ветра приведена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Зависимость электрической мощности на клеммах генератора от скорости ветра
Полученные в ходе испытания технические характеристики сравнивались с характеристиками аналогичных ветроэнергетических установок с вертикальной осью вращения следующих типов: спиральный ветрогенератор, геликоидный ротор, комбинированный ветрогенератор Савониус-Дарье. Для проведения достоверного сравнительного анализа были выбраны 3 модели одинаковой номинальной мощности (400Вт). Основные технические характеристики ветроэнергетических установок, использованных для исследования, приведены в таблице № 1 [6, 7].
Таблица № 1
Название модели |
Коэффициент использования энергии ветра |
Стартовая скорость ветра м/c. |
Номинальная скорость ветра м/c. |
Спиральный ветрогенератор SV400 производителя «YASHEL Technologies» |
0,35 |
1,3 |
11 |
Геликоидный ротор ROSVETRO FX-400 производителя «MD TECH» |
0,4 |
2 |
12 |
Комбинированный ветрогенератор Савониус-Дарье WKV-400_12/24 производителя «Южный ветер» |
0,38 |
2 |
12 |
Прототип ветроэнергетической установки на основе эффекта Магнуса |
0,42 |
1,5 |
7 |
Заключение
Сравнительный анализ показывает, что ветроэнергетическая установка на основе эффекта Магнуса обладает большим коэффициентом использования энергии ветра и достигает мощности 400 Вт при гораздо меньшей скорости ветра в сравнении с аналогами. Из чего можно сделать вывод, что установки данной конструкции могут успешно конкурировать с тепловыми и гидроэлектростанциями в тех регионах, где раньше это было невозможно ввиду низкой скорости ветра.
Информация, полученная в результате проведённого исследования, может способствовать развитию ветроэнергетики в областях с низким ветровым ресурсом, и как следствие, снижению стоимости тарифов на электроэнергию.
Список литературы Разработка энергоэффективного турбоветрогенератора на основе эффекта Магнуса
- Шинкевич А.И., Зарайченко И.А. Повышение инновационной активности в энерго-и ресурсосбережении на основе концепции «Технологических окон возможностей». Вестник Казан. технол. ун-та, №9, 897-900 (2010).
- Шевцова, С. В. Анализ зарубежного опыта использования альтернативных видов энергии / С. В. Шевцова, Д. С. Жолудь // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит. — 2010. — № 6 (76). — С. 49-53.
- Грачев, К. С. Лучшие европейские практики для внедрения возобновляемых источников энергии в РФ / К. С. Грачев, С. Г. Шеина // Инженерный вестник Дона: - 2019 № 5. Электронный ресурс. URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD 69 6y2019 Grachev.pdf 96aa99b8b7.pdf (дата обращения: 24.05.2022).
- И. Г. Попова Исследование опыта использования ветрогенераторов / В. Б. Кравцов, Е. С. Камелина, Е. А. Гребенок // Инженерный вестник Дона: - 2021 № 5. Электронный ресурс. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-opyta-ispolzovaniya-vetrogeneratorov.pdf (дата обращения: 23.05.2022).
- Расчет коэффициента использования энергии ветра. Журнал Ветроэнергетика. Электронный ресурс. URL: wetroenergetika.ru/8%20koeffizent.html (дата обращения: 25.05.2022).
- Альтернативные источники энергии. Электронный ресурс URL: http://www.alternatesource.ru.html (дата обращения 18.05.2022).
- Ветроустановки Электронный ресурс. URL: http://www.wetroenergetika.ru.html (дата обращения 19.05.2022).