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

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.