Технические науки/3.Отраслевое машиностроение

к.т.н. Нурпеисова Г.Б.

Казахский НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства, Казахстан

Экспериментальные исследования для обоснования

параметров ветроэлектрической установки

Решение задачи выбора режима работы ветроэлектрической установки (ВЭУ) находится на основе вариантных расчетов, при этом критерием оптимальности служит наибольшая выработка энергии за определенный период. Выбранный таким образом режим называется наилучшим аэродинамическим режимом [1].

Для исследования аэродинамических характеристик и обоснования формы и количества лопастей была разработана лабораторно-полевая установка (рисунок 1). Экспериментальные исследования были проведены на территории крестьянского хозяйства «Ар» Илийского района Алматинской области. В ходе полевых испытаний на ободе ветроколеса устанавливались лопасти с различным профилем, а также варьировалось количество лопастей от 3 до 12. Основой для монтажа лопастей были обода ветроколес двухмодульной установки ВЭУ-5Т-2М. На одном ветроколесе были смонтированы три лопасти новой формы, а на другом – 3 лопасти установки ВЭУ-5Т-2М. Эксперименты для определения зависимости рабочих характеристик установки от коэффициента заполнения осуществлялись также на основе установки ВЭУ-5Т-2М. Для этого на одном колесе были смонтированы все 12 лопастей, а на другом колесе смонтированы сначала 3 лопасти, потом 4, 6, 12 лопастей.

Метеоданные получены от метеостанции Weather Wizard III, установленной на одной высоте с осью ветроколеса. Значения измеряемых данных усреднялись с временем дискретизации 10 с.

Рисунок 1 – Фрагменты исследования ВК с различными лопастями

На выходном валу ветроколеса замерялись при разных скоростях ветра значения крутящего момента и частоты вращения, которые записывались на диаграммную ленту самописца. Для синхронизации полученных данных по времени на диаграммной ленте фиксировалось время начала и конца каждого эксперимента по встроенным часам метеостанции Weather Wizard III. Полученные данные были сгруппированы по скоростям ветра с шагом 0,5 м/с, после обработки данных получены зависимости крутящего момента и частоты вращения ветроколеса с разным количеством лопастей от скорости ветра (рисунок 2). Как показали результаты эксперимента, 12-лопастное колесо страгивается при скорости ветра 1,8 м/с, возбуждение генератора начинается при 2,8 м/с, ВК с 6 лопастями страгивалось при 2,8 м/с, при 3,1 м/с начинал работать генератор, с 3 лопастями эти значения были соответственно 3,2 м/с; 5,2 м/с.

Рисунок 2 – Зависимость частоты вращения ветроколеса от скорости ветра

Утилизируемая энергия ветра зависит от трех основных параметров, называемых базовыми скоростями ветра: минимальная скорость ветра (v₀), при которой ВЭУ начинает выработку энергии; расчетная скорость (v_p), при которой ВЭУ выходит на расчетный режим и развивает номинальную мощность; максимальная скорость ветра (v_max), скорость выше максимальной становится критической для ветроустановки [2].

Для обоснования параметров электрической части проведены лабораторные исследования режимов работы генератора, инвертора, аккумуляторных батарей и нагрузки. Полученные в ходе экспериментов данные обработаны в Microsoft Excel и построены скоростные характеристики генератора при разных значениях нагрузки, а также внешние характеристики генератора при разных значениях частоты вращения. На рисунке 3 приведены скоростные характеристики генератора ВГ-5.

Рисунок 3 – Скоростные характеристики генератора ВГ-5

Для обоснования рациональных параметров, обеспечивающих согласованную работу механической и электрической частей установки, были совмещены полученные в ходе экспериментов скоростные характеристики генератора и расчетные выходные характеристики ветроколес. По результатам этих исследований обоснованы параметры макетного образца ВЭУ: высота мачты – 9…12 м, тип ветроколеса – быстроходный, профиль лопасти – аэродинамический, диаметр тип ветроколеса – 8 м, количество лопастей – 3 и 6 шт, генератор – переменного тока ВГ-5, инвертор МАП «Энергия» – 48 В (2 шт.), количество аккумуляторных батарей – 8 шт.

Литература:

1. Ветродвигатели / Под ред. Е.М. Фатеева. – М.: ОГИЗ им. А.А. Жданова, 1962. – 248 с.

2. Шефтер, Я.И. Использование энергии ветра. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 200 с.