Технічні науки / Енергетика

Троян С.А., к.т.н. Коц І.В., Дмітрієв Ю.В.

 Вінницький національний технічний університет, Україна

 

Вертикально-осьова вітроенергетична установка із поворотними вітрилами

 

Вітроенергетика є одним із найбільш перспективних напрямків серед нетрадиційних методів одержання енергії. В останні роки вона бурхливо розвивається в Європі, США, Канаді, Японії, Австралії та інших країнах. В Україні, що відчуває значну потребу додаткових енергетичних ресурсів, також прийнята комплексна програма будівництва вітроелектростанцій (ВЕС) до 2010 року. У рамках цієї програми будується ряд станцій, серед яких Новоазовська, Донузлавська, Трускавецька та інші.

Для традиційних ВЕУ недостатній вітер зі швидкістю 5 6 м/с, а тому існує переконання, що якщо немає вітру зі швидкістю більше 10 м/с, то вітроенергетика не може претендувати на альтернативу традиційним постачальникам електроенергії. Однак інноваційні технічні рішення все ж таки дозволяють використовувати слабкий вітер і ефективно генерувати електроенергію без шкоди для навколишнього середовища  [1-3].  

Як показали проведені нами пошукові дослідження серед відомих технічних рішень найбільш ефективними і придатними для практичного застосування навіть при відносно малих швидкостях вітру в межах 4–6 м/с  є переважно вертикально-осьові вітродвигуни, зокрема, парусного типу [1-4], які можуть працювати незалежно від напрямків вітру. У порівнянні із традиційними відомими вітроагрегатами лопастного типу із горизонтальною віссю обертання такі вітродвигуни мають можливість забезпечити кінцевий загальний ККД, який споживатиметься користувачем, в межах 60...65%.

   З метою розробки досконалої вітроенергетичної установки було поставлено задачу створення конструктивного виконання її вітрильного двигуна, в якому за рахунок введення нових конструктивних елементів і зворотних зв'язків між виконавчими механізмами досягається підвищення його надійності і поліпшення аеродинамічних якостей.

На рисунку  представлена конструктивна схема ві­трильного двигуна вітроенергетичної установки [ 5 ].  Вітрильний двигун складається з вітрил 1, розміщених на спицях 2 і закріплених відносно вертикального вала потужності 3, що розташова­ний всередині опори 4, коромисел 5 з тарирова­ними пружинами 6 та колесами 7, причому, коро­мисла 5 прикріплені до спиць 2, поворотного майданчика 8, всередині верхньої частини якого закріплена дворівнева доріжка-слід 9 на поверхні якої виконані перехідні похилі площини 10 і 11, а також перший та другий флюгери 12 і 13, відповід­но, що встановлені з двох протилежних сторін по­воротного майданчика 8, який рухомо закріплений нижньою частиною на опорі 4. Крім того, вертика­льний вал потужності 3 рухомо закріплений на верхній частині поворотного майданчика 8. Вісі 14 вітрил 1 з'єднані зі спицями 2 пружинними фланцями 15 із тарированими пружинами. Причому, кількість вітрил 1 є непарною, а сумарна довжина спиць і вісей вітрил прийнята у співвідношенні до ширини окремого вітрила, як: К=L/В>2,5, де: L – сумарна довжина спиці і вісі вітрила, а В – ширина вітрила.

Вітрильний двигун працює так. Сила тиску віт­ру, що діє на вітрила 1, поверхня яких встановле­на перпендикулярно до напрямку вітру (Рисунок, б), пе­реміщує спиці 2 із закріпленими  на  них  підпружиненними  коромислами 5 і

колесами 7, обертаючи при цьому вертикальний вал потужнос­ті 3. Колеса 7 обкочуються по поверхні дорожки-сліду 9 і досягши похилої площини 10 піднімають­ся з нижньої поверхні дорожки-сліду 9 на верхню. При цьому коромисла 5 повертають спиці 2 на кут 90 градусів. При досягненні похилої площини 11 колеса 7 скочуються з верхньої поверхні доріжки-сліду 9 на нижню і повертають спиці 2 в початкове положення. Спиці 2, що з'єднані із вісями 14 вітрил 1 через пружинні фланці 15 з тарированими пру­жинами, переміщують вітрила 1 в двох взаємноперпендикулярних площинах, відповідно, перпенди­кулярно і паралельно до напрямку вітру.


 


а)


 


б)

Рисунок. Ві­трильний двигун вітроенергетичної установки: а)конструктивна

схема у розрізі;  б) вигляд зверху

 

Потужність вітрильного двигуна визначається за відомою формулою:

Р=0,59F·R,

де: F - сила вітру; R - радіус повороту.

Сила тиску створювана вітром дорів­нює:

F=0,5Кп ·Кв ·р·S·V3 ,

де: Кп - коефіцієнт вітрильності, Кп=Кпр·Кпл; Кпр – коефіцієнт  прогину вітрила;

Кпл - коефіцієнт усередненої площі робочих ві­трил ; Кв - коефіцієнт сили вітру по висоті; ρ- густина повітря ; S - площа вітрила ; V - швидкість вітру.

Коефіцієнт усередненої площі робочих вітрил Кпл залежить від конструктивних особливостей вітрильного двигуна. В основному він залежить від кількості вітрил 1 встановлених на вітрильному двигуні і їх розташування на спицях 2. У вітриль­ному двигуні кількість вітрил 1 встановлюється непарною, що забезпечує хорошу рівномірність обертання вала потужності З при практичному збереженні Кпл на рівні 1,2 при установці п'яти віт­рил і збереженні Кпл на рівні 1,4 при установці се­ми вітрил.

Окрім того, у вітрильному двигуні сумарна до­вжина спиць 2 і вісей вітрил 14 встановлюється у співвідношенні до ширини окремого вітрила 1 як:

K=L/B>2,5,

де: L - сумарна довжина спиці і вісі вітрила ; В - ширина вітрила.

При цьому співвідношенні Кпл збільшується в середньому до 1,35 при п'яти вітрилах і до 1,6 при семи вітрилах.

         Проведені випробування дослідних зразків запропонованої вітроенергетичної установки, які підтвердили високу ефективність та працездатність устаткування. Встановлено, що досить ефективними є установки із вертикальною віссю обертання вітрильного типу. Запропоновано конструктивне рішення вітроенергетичної установки із поворотними вітрилами, яка має підвищену надійність і поліпшенні аеродинамічні характеристики. Найбільш ефективно такі установки можуть бути застосовані в зонах із відносно малими швидкостями вітру.

Література:

1.     Кирпичникова И.М., Мартьянов А.С., Соломин Е.В. Преобразование энергии в ветроэнергетических установках // Альтерн. энерг. и экол. - 2010. - N 1(81). - С.93-97.

2.     Михеев А.А. Ветроэнергетическая парусная установка - природный концентратор ветровой энергии // Альтерн. энерг. и экол. - 2010. - N 1(81). - С.16-19.

3.     Лятхер В.М. Ветроагрегаты нового поколения // // Энергия: экон., техн., экол. - 2009. - N 8. - C.30-33; N 9. - C.7-14.

4.     Патент України 20371 А, F03D 5/00. Вітрильний двигун Білоуса / Е.Ф. Білоус – 94128279.  Заявл.:15.07.1997: Одерж.: 28.12.1994.

5.     Патент України 43268 А, F03D 3/06. Вітрильний двигун / Ю.О. Дмитрієв, Ю.В. Косенко, І.В. Коц, В.М. Шишко. – 200902370.  Заявл.:17.03.2009: Одерж.: 10.08.2009.