Развитие ветроэнергетики. Анализ работ по разработке ветровых концентраторов, диффузоров, конфузоров

Development of wind power. Analysis of works on development of wind concentrators, diffusers, confusers

Aleksey Milyutin

master student, Omsk State Technical University, Russian Federation, Omsk

Roman Uan

master student, Omsk State Technical University, Russian Federation, Omsk

Pavel Gotfried

bachelor, Omsk State Technical University, Russian Federation, Omsk

Аннотация. В данной статье рассмотрено перспективное направление в энергетике и его развитие в настоящее время. Затронуты основные проблемы ветроэнергетики и пути их решения. Были изучены и проанализированы труды великих ученых по модернизации конструкций и улучшению выходного параметра ветроэнергетических установок (ВЭУ). На основе проведенного анализа сделан вывод на дальнейшие перспективы ветроэнергетики.

Abstract. In this article, a perspective direction in the energy industry and its development at present is considered.  The main problems of wind energy and ways of their solution are touched upon.  The works of great scientists on the modernization of structures and improvement of the output parameter of wind power plants were studied and analyzed (Wind turbine).  Based on the analysis, a conclusion is drawn on the further prospects of wind energy.

Ключевые слова: ветроэнергетика; диффузор; конфузор; ветровой концентратор; ветроэнергетическая установка.

Keywords: wind energy; diffuser; confuser; wind concentrator; wind power plant.

В настоящее время перспективным направлением дальнейшего развития энергетики является получение энергии из возобновляемых источников в частности из энергии ветра.

Однако в современных реалиях существует ряд причин, препятствующих широкому использованию энергоустановок, работающих на основе возобновляемых источников энергии, и в частности ВЭУ. К этим причинам можно отнести: низкую удельную плотность воздушного потока; существенную зависимость величины энергии ветрового потока от природных условий, что обусловлено периодами ветровых затиший различной продолжительности; недостаточную разработанность методов по обоснованию эффективности энергоустановок подобного рода, оптимизации и выбора их основных параметров.

Во многом эффективность работы ветровых энергоустановок зависит от их конструкции и параметров основных элементов. Общей характерной особенностью энергоустановок работающих на основе возобновляемых источников энергии является то, что для организованного подвода и отвода водного (воздушного) потока к рабочему колесу и от него используются различного типа потоконаправляющие устройства или концентраторы потока. Концентраторы потока представляют собой конфузорные или диффузорные устройства, устанавливаемые в непосредственной близости от рабочего колеса энергоустановки.

В данное время направление ветроэнергетики широко развивается и претерпевает положительные изменения в конструкции. Учёные разных стран стараются внести свою лепту в совершенствовании ветрового концентратора. Рассмотрим зарубежный опыт ускорителей потока[1].

Например, рассмотрим Chuanzong Sun, Guangkun Shan, Lidong Yang сотрудники  Шеньянского технологического университета в Китае написали статью «Анализ силы 3 МВт ветровой турбины с концентратором» [4]. В своей работе товарищи учёные рассматривали ветровой концентратор, как ключевой компонент в ветровой турбине. Во-первых, были описаны преимущественные характеристики шестигранного элемента, а затем на основе программного обеспечения, провели стресс-анализ ступицы. На основе программного обеспечения HYPERMESH был сделан анализ, как модель концентратора входит в зацепление с шестигранным элементом. Для экспериментальных исследований использовалась платформа анализа Patran / Nastran. В результате проделанной работы учёные пришли к выводу, что при использовании шестигранных элементов можно получить более плавное распределение нагрузки. Также понадобится меньшее время анализа процессора, в отличие от четырехгранных элементов.

Ученые из отдела машиностроения Benha University, Инженерного факультета города Каира в Египте Hossam M. Elbakry, Ahmed A.A. Attia, Osama Ezzat Abdelatif занимались моделированием диффузора для дополнительной производительности ветродвигателя [5].

В частности, данное исследование посвящено изучению влияния разработки различных форм диффузоров для повышения мощности ветровой турбины. Для этой цели, были выбраны два диффузора в качестве эффективных по дизайну для повышения скорости ветра. Использовалась проверенная модель небольших коммерческих ветровых турбин AMPAIR-300 для моделирования и анализа с помощью программного проектирования в Solid-Works и вычислительной гидродинамики (CFD), а также программного комплекса ANSYS-15.

Следующие Michał Kulak, Maciej Karczewski и Krzysztof Olasek из Института Турбомашин, факультета машиностроения, технический университет Лодзи, Лодзь Польша провели работу: «Анализ динамики диффузора, дополненная модель ветровой турбины для исследования ветровых тоннелей» [7].

В статье рассматриваются результаты внедрения экспериментальной небольшой ветровой турбины размещенной внутри испытательной секции аэродинамической трубы. Исследование включало в себя определение влияния размера диффузора на блокирование воздействия потока. Также были спрогнозированы нагрузки, которые могут воздействовать на модель, тем самым помогая понять необходимые меры в предстоящем исследовании аэромеханики. Исследование касается ветровых турбин, размещенных внутри канала диффузора. Совсем недавно данного типа преобразователи энергии ветра были объектом многочисленных исследований в Институте Турбомашин политехнического университета. Численное исследование было проведено с помощью программного комплекса ANSYS cfx 15.0.

Университет Ирана, факультет электротехники и вычислительной техники, ученые Amirhossein Dolatabadi, Behnam Mohammadi-ivatloo, Mehdi Abapour написали статью на тему: «Оптимальный стохастический дизайн интегрированного энергетического ветроконцентратора» [2].

Это исследование представляет собой стохастический подход к дизайну интегрированного ветроэнергетического концентратора с несколькими энергетическими системами. Для дизайна ветроэнергетического интегрированного концентратора необходимо было определение оптимально соответствующих характеристик,  размер системы компонентов, которые удовлетворяют электрический и тепловой спрос и параметры системы. Для эксплуатации, показателей надежности, такие как потери нагрузки и энергии ожидания. В итоге предложенная модель иллюстрирует эффективность применения предполагаемого подхода.

Ещё один из известных Университетов науки и технологий Египет- Япония, факультет энергетических ресурсов и окружающей среды, ученые Ashraf Amer, Ahmed Hamza H. Ali, Yehia EIMahgary, написали статью на тему: «Влияние конфигурации диффузора на поле потока внутри ветроконцентратора» [3].

С помощью моделирования вычислительной гидродинамики исследован в данной работе эффект рассеивания потока ветра внутри ветроконцентратора. Чтобы достичь минимальных потерь, диффузоры с различным соотношением диаметра длины рассматриваются для оценки оптимального расположения ротора внутри концентратора ветра. Полученные результаты показывают, что соотношение  оптимального диаметра  D , расширяются к диаметру  8D. Оптимальная форма диффузора является выпуклой с радиусом кривизны. Провели исследование коэффициента ускорения,  с максимальным расстоянием от входа. Определили оптимальное расположение ротора ветроустановки.

Военно-технологический университет Варшавы, Польша, кафедра механики и прикладной информатики, ученые Krzysztof Damaziak, Jerzy Małachowski, Michał Tomaszewski, провели работу на тему: «Численный анализ диффузоров малых ветровых турбин с помощью взаимодействия жидкой структуры» [6].

В данной статье описан численный анализ прототипа легкого диффузора. Анализ использует метод конечных элементов и конечных объемов. В работе представлены методика и процесс построения численной модели, которая позволит совмещать анализ турбинного расходомера жидкости и структурный анализ. Были исследованы два случая нагрузки турбины – турбина работает при скорости ветра и в случае, когда лопатки турбины блокируются.

Mouldi KARDOUS, Rym CHAKER, Fethi ALOUI and Ichrak ABIDI. Лаборатория ветра и рационального использования энергии – LMEEVED. Научно-технический центр энергетики, Тунис. Провели работу на тему: «Направления воздействия ветровых потоков на аэродинамические характеристики диффузора и установки» [8].

В данной работе рассматриваются геометрические характеристики диффузора дополненного ветровой турбиной, основные параметры которого  аэродинамическая характеристика энергии ветра. Результаты экспериментов, полученные в аэродинамической трубе и численное моделирование, показывают, что скорость ветра воздушного потока в диффузоре увеличивается при приближении к турбине. Она достигает максимального значения при рассеивании, где и должна быть установлена ветровая турбина, и затем скорость ветра уменьшается. Увеличение скорости ветра, в основном зависит от позиции двух вращающихся вихрей, сформированных из-за неустойчивого рассеивания. В лучших аэродинамических характеристиках  диффузора получается, что вихри находятся слишком близко к фланцу, который введен в зону, где расположено выходное сечение диффузора. В то же время высота фланца, открытый угол и длина диффузора достигают оптимальных значений. Помимо этих значений, один из двух вихрей, как правило, погружается в область, ограниченную выходным сечением  диффузора. В результате отрыв пограничного слоя происходит  возле диффузора во внутренних стенах, и геометрические характеристики перестали значительно влиять  на увеличение скорости ветра. На практике это означает, что диффузор может быть более эффективным, если имеется система управления, способная удерживать вихри слишком близко от его кромки.

В заключении данной статьи можно сказать, что совокупность исследований в области ветроэнергетики поможет добиться результатов в дальнейшем продвижении ветряных энергоустановок и их реализации в промышленных масштабах. Рассмотренные проблемы, связанные с низкой удельной плотностью потока воздуха, зависимостью его от природных условий и оптимизацией эффективности установок могут решиться усовершенствованием форм концентраторов, расчетом оптимальных размеров диффузоров, в том числе применении их управляемых форм. Подводя итог можно сказать, что активные исследования в сфере альтернативных источников энергии приведут в скором времени к широкому распространению мощной ветроэнергетики.