Всю историю своего непрерывного развития человечество нуждалось в энергии. В начале времён её источником была мускульная сила человека и животных. Но вскоре человек обратил внимание на природные силы и явления, что позволило обуздать ветер. С того времени человечество использует эту природную энергию. По мере технологического развития человечества было изобретено множество механизмов для преобразования энергии этого возобновляемого и бесплатного источника в механическую энергию.

Совершенствование технологий усилило энергетическую зависимость. Особенно острым вопрос стал в период индустриализации. В то время основная ставка была сделана на поиск новых источников энергии. А открытие нефтяных месторождений, сделало двигатель внутреннего сгорания флагманом движущих механизмов на длительный исторический период.

Но человечество не стоит на месте. Постоянно развиваясь, современное общество находится в постоянном поиске дешевых и экологически чистых источников энергии.

Очередную популярность ветроэнергетика начала приобретать в 70 годах прошлого века, когда окончательно были сформированы основные теории аэродинамики, а применение полимерных материалов позволило снизить материалоемкость конструкций и повысить их надёжность.

Использование малых ветроэнергетических установок (ВЭУ) часто имеет ряд социально-экономических преимуществ перед использованием дизельных генераторов или расширением существующей энергосистемы. Ветросистема меньше по размеру, она представляет собой единый модуль и необходимо меньше времени на ее установку, чем на работы по расширению существующей энергосистемы.

Иронично, что ветер был одним из первых неодушевленных источников энергии используемых человеком, а полностью реализовать энергетический потенциал ветра не удается и на сегодняшний день. На сегодняшний день всё еще продолжаются поиски более выгодных с точки зрения эффективности конструкций ВЭУ, профилей лопастей и материалов для их изготовления.

Достижение определённых успехов в этой области энергетики способствует популяризации ВЭУ среди населения. В свою очередь это порождает масштабное производство ветроустановок во всем мире и позволяет существенно снизить цены на материалы для их производства.

ВЭУ не лишена недостатков. Так, основным из них, является прямая зависимость её работы от ветровой обстановки в местности, где планируется эксплуатация. Без детального предварительного исследования участка и без наличия реальных данных о состоянии скорости ветра, невозможно выбрать подходящую ВЭУ. Этот аспект вынуждает инженеров проводить определенные подготовительные работы по определению ветрового потенциала местности. И, вследствие полученных данных, проводить инженерные расчеты ВЭУ подходящей для этой конкретной местности с учётом необходимых генерирующих мощностей.

С другой стороны, достаточные мощности современной вычислительной техники и наличие сформированных методик расчета, позволяют автоматизировать этот процесс.

Цель этой статьи – познакомить аудиторию с програмным продуктом, который позволяет нивелировать значительные затраты времени на инженерные расчёты во время проектирования ветроколеса ВЭУ мощностью от 100 Вт до 100 кВт.

«Аеродинама» – это онлайн ресурс, веб-интерфейс которого показано на рисунке.

Программа Аэродинама основана на современных достижениях в области ветроэнергетики. Приложение написано на языке программирования PHP, а положенный в основу алгоритм расчета, позволяет спроектировать ВЭУ от 100 Вт до 100 кВт.

На сегодняшний день, версия программы под номером 3.5, имеет модульную структуру и состоит из следующий компонентов (модулей): геолокация, метеорология, характеристики профилей, ввод данных, аэродинамический расчет, расчёт режимов работы ВЭУ, расчетные характеристики и техническая документация.

Пользовательский интерфейс, представлен украинским, русским, английским и немецким языками. Язык по умолчанию – русский.

Рассмотрим отдельно особенности каждого модуля.

Модуль геолокации автоматически определяет местоположение пользователя, а также языковую локаль. Если в списке языков Аэродинамы отсутствует языковая локаль пользователя, тогда подставляется язык по умолчанию. Также, с помощью этого компонента определяется местоположение пользователя с точностью до населённого пункта.

Метеорологический модуль необходим для получения статистических метеоданных, таких как среднегодовая скорость ветра. Получение данных производится путем парсинга сайтов с прогнозами погоды. Выборка производится по фактическим данным за период 10 лет и хранится в локальной базе данных приложения. После входа пользователя на страницу ввода данных, ему будет предложено использовать вычисленную скорость ветра для автоматически определённого населённого пункта, о чём пользователь будет проинформирован. Тем не менее, у пользователя остаётся возможность ввести данное значение вручную.

Модуль характеристик профилей содержит определенный набор сечений профиля лопасти. В данную версию программы включены профили BRUXEL 36, CLARK Y, Espero 20%, GOE 188, GOE 225 и NACA 0012. База профилей содержит в себе изображение профиля, список его безразмерных координат и поляры продувки профиля в аэродинамической трубе на низких числах Рейнольдса. Указанная информация преимущественно основывается на данных представленных в Airfoil Tools.

Модуль ввода данных принимает параметры введенные пользователем и производит их валидацию в соответствии с заданными правилами. Невалидные параметры заменяются на параметры по умолчанию (по умолчанию установлены популярные вводимые значения) и пользователю выдается соответствующее предупреждение.

В модуле аэродинамических расчетов производится расчет основных параметров ветроколеса. В основу алгоритма положен алгоритм расчета реального ветряка, представленный профессором Г.Х. Сабининым с дополнениями, состоящий из двух частей.

В первой части аэродинамического расчета производятся вычисления потерь ветроколеса и безразмерных параметров лопасти ВЭУ. Для этого лопасть условно разбивается на пять частей и производятся дифференциальные вычисления каждого ее отдельного участка. На этом этапе активно используется база поляр продувки в аэродинамической трубе выбранного профиля.

Во второй части в первую очередь определяется расчетная скорость ветра с учетом заданной высоты установки ВЭУ и индекса местности. Здесь используется показатель среднегодовой скорости ветра, полученный автоматически или введенный пользователем вручную, а также его корректировка. Далее, в цикле, определяются размерные параметры лопасти и корректируется высота мачты. Мачта подбирается таким образом, чтобы нижняя часть кончика лопасти находилась выше препятствия или поверхности земли/воды на 3 метра. Это позволяет не только уменьшить турбулентное влияние на винт, но и обезопасить стоящего рядом человека.

После получения основных размеров лопасти, производится вычисление точек для построения ее сечений. На этом шаге используются данные безразмерных параметров выбранного профиля.

В результате работы модуля аэродинамического расчета, получаем основные размерные параметры винта ВЭУ, такие как общая длина лопасти и список координат в мм относительно оси вращения винта.

Модуль расчёта режимов работы ВЭУ позволяет прогнозировать работу винта по таким характеристикам как мощность, количество оборотов в минуту и крутящий момент на всем диапазоне выбранных скоростей ветра. Диапазон выбранных скоростей ветра строится от 0 м/с до скорости, указанной пользователем как буревая. В результате пользователь получает три графика, которые наглядно показывают зависимости выбранных параметров от скоростей ветра.

Модуль расчетных характеристик используется для отображения результатов расчета винта ВЭУ на расчетном ветре для заданной мощности с учетом КПД механической передачи и КПД генератора, если он был задан.

В результате пользователь получает информацию о расчетной скорости ветра, диаметре и радиусе винта ВЭУ, расчетной высоте мачты и коэффициенте использования энергии ветра, а также, если был указан момент страгивания генератора, скорости ветра, при которой ветроколесо начинает вращение. Кроме этого, пользователь проинформирован о расчетных и экстремальных значениях оборотов винта ВЭУ, крутящего момента на валу и силе лобового давления на винт.

Модуль технической документации позволяет сформировать результат работы Аэродинамы в виде PDF документов. Результирующий документ содержит распечатку введенных и вычисленных данных, а также координат для построения сечений лопасти в мм, в координатной системе, сориентированной относительно плоскости вращения винта и его центра. Также пользователь имеет возможность сформировать документ, содержащий чертежи сечений в масштабе 1:1. Для удобства пользователя, чертежи автоматически разбиваются на листы формата А4, если размер сечения больше чем один лист данного формата.

На рисунке представлен пример разбивки автоматически сгенерированного чертежа на два листа формата А4. Пунктирной линией отмечено место для склейки листов.

Общий алгоритм работы Аэродинамы представлен на рисунке.

Во многих странах продление высоковольтной линии электропередачи на расстояние в 1 км будет стоить дороже, чем малая ВЭУ небольшой установленной мощности. С другой стороны, по сравнению с дизельными генераторами первоначальная стоимость ВЭУ выше, но с точки зрения пользователей, они намного лучше в работе. Экономические расчеты для малых ВЭУ показывают их конкурентоспособность, особенно это справедливо для ветротурбин мощностью более 250 Вт. На территории, где средняя скорость ветра превышает 4 м/с, установка ВЭУ для ежедневной выработки электроэнергии до 1 кВт·ч будет дешевле, чем использование дизельного генератора или расширение энергосети. А ВЭУ мощностью 10 кВт уже при скорости ветра в 3-3,2 м/с становится рентабельной. Территорий, где среднегодовая скорость ветра менее 3 м/с, не так уж много. Проблемой всё еще остаётся корректный подбор параметров ВЭУ.

Аэродинама является инструментом, позволяющим избавиться от проблемы повторяющихся расчетов ветроустановок под различные условия ветровой интенсивности. Компьютерный расчёт занимает от 1 до 1,5 секунд, что позволяет существенно сократить время инженера на подбор необходимых характеристик ВЭУ.

Аэродинама решает следующие вопросы:

1. Автоматический поиск показателя среднегодовой скорости ветра и его вычисления согласно аэродинамическому воздействию лопастей, и влиянию высоты и местности.

2. Определение основных габаритных размеров турбины, обеспечивающие заданную расчетную мощность.

3. Подбор схемы (обеспечивает старт ветротурбины на минимально возможной скорости ветра).

4. Расчет аэродинамических характеристик лопастей, выбор оптимального профиля.

5. Расчет коэффициента использования энергии ветра.

6. Проведение оптимизационных расчетов с целью получения размеров лопастей и их установочных углов, обеспечивающих максимальную эффективность турбины.

7. Подготовка данных по величинам аэродинамических сил и моментов для всего используемого диапазона быстроходности, необходимых для проведения динамических расчетов и расчетов на прочность.

8. Подготовка конструкторской документации для изготовления лопастей.

9. Графическое отображение режимов работы ВЭУ на разных скоростях ветра.