ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЕТРА В

ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ВЕТРА В УСЛОВИЯХ СИБИРИ
Никитенко М. С.
Кузбасский государственный технический университет
Кемерово, Россия
EFFECTIVE METHOD OF WIND POWER CONSUMPTION IN SIBERIA
Nikitenko M. S.
Kuzbass state technical university
Kemerovo, Russia
Изучение вопроса использования экологически чистой энергии ветра ведётся уже
давно множеством ученых и изобретателей. Но до сих пор не найдена идеальная
конструкция ветроэнергетической установки, а именно - роторной части. Причина в том, что
разным территориям свойственны разные ветры, их сила и направление. Каждому типу
ротора характерны предельные и начальные скорости вращения. Самая распространенная
конструкция ротора – осевой вентилятор, пропеллер с горизонтальной осью вращения,
бесспорно, имеет ряд особенностей, которые делают его незаменимым для использования в
областях со средними или сильными ветрами или ветрами постоянного направления.
Однако использовать такой ротор на энергоустановках в равнинных местностях на подобии
Сибири практически невозможно или неэффективно: начальная скорость недостаточна для
вращения ротора, ветер имеет разнонаправленный характер и его силы не достаточно для
ориентированного вращения самой установки.
В этом случае необходимо использовать центробежный тип ротора с вертикальной
осью вращения. Принимая такое решение, получаем возможность улавливать ветры любого
направления. Конструкция энергоустановки упрощается. Начальная скорость вращения для
такого ротора ниже, чем у горизонтального осевого ротора, к тому же не требуется
затрачивать полезную энергию на поворот по направлению потока ветра. Кроме того, конец
вала с пропеллером при вертикальном расположении оси не работает как консоль и не
создаются излишние напряжения в подшипниках.
Отметим, что для центробежных роторов с пластинчатыми лопатками не характерна
скорость вращения, превышающая скорость движения потока воздуха. Для решения этой
проблемы можем объединить достоинства пропеллеров с достоинствами центробежного
вентилятора. Выполним лопатки в форме, имеющей профиль крыла. Вращательное движение
ветроколеса в этом случае создается не только за счет угла наклона лопатки, но и за счет
подъемной силы. Таким образом, возникающая подъемная сила для каждой лопатки, при
условии жесткости конструкции, целиком переходит в энергию вращения центробежного
ротора. Считая лопатку крылом определенного профиля, можем вычислить её коэффициент
подъемной силы по формуле Джона Смитона:
где S — площадь лопасти в плане; ρ — плотность среды; V — скорость набегающего
потока; сl — безразмерный коэффициент подъемной силы, зависящий от угла атаки α, угла
нулевой подъемной силы α0 и коэффициента m, зависящего от формы профиля крыла.
Произвести расчет одной лопатки проще, чем рассчитать весь центробежный ротор в
целом, так как помимо фронтального воздушного потока, внутри ротора образуются
микропотоки и вихри, влияющие на интенсивность вращения. В процессе работы ротора их
необходимо исследовать и полезно использовать или обеспечить эффективный отвод потока
после прохождение через систему лопаток. Для отвода потока может служить конусная
направляющая вокруг оси, смещающая потоки ниже рабочей области ротора.
При проведении первых испытаний на стенде, подающем направленный воздушный
поток, стала очевидна необходимость установки экранов, направляющих поток. Подаваемый
воздух, распределенный равномерно по полуокружности ротора, действует различно по две
α
стороны от оси. На половине, где поток
был противонаправлен вектору скорости,
создавались помехи движению ротора.
Установка экранов помогает направить
воздушный поток
под оптимальным
углом на каждую лопатку, не создавая
усилия обратного вращения.
u
Следующие шаги исследования направлены на определение оптимального сочетания
размера, веса и частоты расположения лопаток. Так как ветер не может дуть одновременно
со всех сторон, то, возможно, необходимо обеспечить обдув нескольких лопаток в пределах
одного сектора направляющего экрана. Однако стоит учесть, что микропотоки лопаток могут
отрицательно влиять друг на друга, поэтому не стоит устанавливать их слишком близко.
Теоретические расчеты в совокупности с экспериментами смогут дать полное
представление о происходящих внутри ротора процессах, и получить оптимальный рабочий
орган для энергоустановок, способных работать при малых скоростях ветра.