Технические науки/5. Энергетика

Лысенко В.С., Сулейменов Б.Т.

Казахский национальный педагогический университет имени Абая

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА МАКЕТАХ ВЕТРОДВИГАТЕЛЕЙ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ

Ветряные энергетические установки состоят в общем случае из ветродвигателей разной конструкции, передаточного механизма, генератора электрической или тепловой энергии, средств автоматики и аккумулирования энергии. Задача заключается в проведении анализа возможностей модернизации традиционных ветродвигателей, а также в соответствии с изобретением [1] - создании новой концепции комплексной технологии ветряных станций для получения тепловой и электрической энергии.

Проведем анализ применимости для комплексной технологии существующих конструкций ветродвигателей в плане эффективности преобразования энергии ветра и безопасности для окружающей среды.

Основным элементом ветряных станций определяющих эффективность являются ветродвигатели. Анализ современных конструкций ветродвигателей и тенденции их модернизации достаточно полно описаны в работах [2, 3, 4]. Они в основном делятся на ветродвигатели с горизонтальной осью вращения и с вертикальной осью вращения. Ветродвигатели с вертикальной осью вращения наиболее пригодны для комплексной технологии с позиции удобства монтажа инерционного передаточного механизма. Так ветродвигатели с вертикальной осью вращения ортогонального типа, Дарье, геликойдные и Савониуса могут оснащаться инерционными передаточными механизмами соответствующей мощности без существенных реконструкций.

Основным достоинством вертикальных ветродвигателей является отсутствие необходимости ориентировать их на ветер. Одним из недостатков, ограничивающих диапазон их применения и их единичную мощность, является их более низкая эффективность работы, по сравнению с горизонтально-осевыми ветродвигателями, при одинаковых ометаемых площадях и более высокая материалоемкость, при одинаковой мощности.

Также эти ветродвигатели имеют низкую эффективность преобразования энергии ветра (от 20 до 40%),поскольку приводятся во вращение только частью потока, движущегося попутно наветренным лопастям. Другая часть охватывающего потока ветра создает на нерабочих поверхностях лопастей сопротивление движению. Уменьшение этого сопротивления достигается путем применения специальных снижающих сопротивление поверхностей или новых материалов.

Лабораторией инновационных технологий при КазНПУ им.Абая была предложена идея использования створок, которые при встречном потоке воздуха имели бы возможность отклоняться и направлять этот поток на внутреннюю поверхность периферийных крыльев. Это позволило бы снизить сопротивление встречного потока, и тем самым повысить эффективность преобразования энергии ветра.

Для проверки эффективности данного технического решения была изготовлен лабораторный макет ветродвигателя типа Савониуса с двумя створками и периферийными крыльями, фотография которого представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 Макет ветродвигателя типа Савониуса со створками и крыльями

Эксперимент заключался в следующем.

Створки при помощи клейкой ленты приклеивались к крыльям, то есть исключалась возможность их работы (закрытые створки). Затем производились замеры частоты вращения макета ветродвигателя. После этого створки освобождались от ленты (открытые створки) и производились замеры частоты вращения макета с действующими створками.

Скорость вращения измерялась при помощи беcконтактного цифрового тахометра модели UT371 (смотри фотографию рисунок 1). При этом измерения проводились при одинаковых условиях (мощность вентилятора, расстояние от вентилятора до ветродвигателей и его направление). Поскольку данные эксперимента носили оценочный характер, то полную обработку результатов эксперимента не проводили. Результаты измерений показали, что при открытых створках частота вращения макета ветродвигателя на 8 % выше, чем при закрытых створках. Из этого можно делать вывод о технической целесообразности использования створок для снижения сопротивления встречного потока ветра.

Анализ изобретений ветродвигателей позволил выявить достаточно эффективные конструкции. Например, ветряк, изобретенный советским инженером К.А. Угринским [5] в середине прошлого столетия. Его отличительная особенность в том, что в нём используется энергия отраженного от лопастей потока.

Попов А.И. изобрел ветродвигатель [6], прототипом которого послужил ветродвигатель Угринского, который состоит из четырех пар лопастей в виде сегментов от точек пересечения обеих лопастей пар до их окончания на периферии диска, расположенных на дисках симметрично относительно оси их вращения со сквозными каналами вблизи центра вращения, при этом на рабочей поверхности образованных из пересечения лопастей сегментов выполнены в направлении к центру его вращения нормально закрытые клапаны и каждая пара лопастей расположена на дополнительных основаниях, имеющих ось вращения с шестерней, причем все шестерни соединены посредством механической передачи с регулятором числа оборотов.

С целью сравнения работы этих ветродвигателей по эффективности были изготовлены их лабораторные макеты одинакового размера.

Фотография экспериментального макета ветродвигателя системы Угринского представлена на рисунке 2. Макет состоит из ветродвигателя диаметром 260мм и высотой 270мм.

Рисунок 2 Макет ветродвигателя системы Угринского

Фотография экспериментального макета ветродвигателя Попова А.И. по патенту РФ № 2246634 представлена на рисунке 3. Макет также состоит из ветродвигателя диаметром 260мм и высотой 270мм.

Рисунок 3 Макет ветродвигателя Попова А.И. по патенту РФ № 2246634

Эксперименты проводились аналогично описанным выше. Результаты испытаний показали, что ветродвигатель системы Попова на 18 % эффективнее ветродвигателя системы Угринского.

Работа выполнена в рамках гранта Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан (номер госрегистрации 0113РК00415).

Литература:

1 Инновационный патент РК № 28239, МПК F03G 7/00. Способ преобразования энергии текучей среды./Лысенко В.С., Пралиев С.Ж. Опубликован 17.03.2014, бюл. № 3

2 Оборудование возобновляемой и малой энергетики: справочник-каталог/ под ред. П.П.Безруких. – 2-е изд. – М.: «Энергия», 2005. – 248 с.

3 Ветроэнергетика. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности. «Интерсоларцентр» // European commission ENERGIE. М., 2001.- 62с.

4 Родионов В.Г. Энергетика: проблемы настоящего и возможности будущего. – М.: ЭНАС, 2010.- 352с.

5 Кажинский. Б.В. Свободнопоточные гидроэлектростанции малой мощности / под ред. Берга. – М., 1950 – Вып. 57. – С.31-33.

6 Патент № 2246634 РФ, МПК F03D 3/00, Ротор / Попов А.И. и др.; заявитель и патентообладатель Попов А.И. и др. – № 2003107348/06; заявл. 17.03. 2003; опубликован: 20.02.2005.