uk
EnglishРусский

Вхід

Відновити пароль?

Немає облікового запису? Створи тут!

Всі статті >  Енергія вітру >  Аеродинама - математичне моделювання вітроколеса ВЕУ

Serhii Korneliuk11 лют, 2020 • 0 хвилин читання

Аеродинама - математичне моделювання вітроколеса ВЕУ

400Енергія вітру
Аеродинама - математичне моделювання вітроколеса ВЕУ

Всю історію свого безперервного розвитку людство потребувало енергії. На початку часів її джерелом була м’язова сила людини та тварин. Але незабаром людина звернула увагу на природні сили та явища, що дозволило приборкати вітер. З того часу людство використовує цю природну енергію. В міру технологічного розвитку людства було винайдено безліч механізмів для перетворення енергії цього поновлюваного та безкоштовного джерела в механічну енергію.

Ускладнення та удосконалення технічних засобів, посилило енергетичну залежність людини. Особливо гострим питання стало в період індустріалізації. У той час основну ставку було зроблено на пошук нових джерел енергії. А відкриття нафтових родовищ, зробило двигун внутрішнього згоряння флагманом механічних джерел енергії на тривалий історичний період.

Але людство не стоїть на місці. Постійно розвиваючись, сучасне суспільство перебуває в постійному пошуку дешевих та екологічно чистих джерел енергії. В рамках цієї діяльності, вчені не тільки знаходять нові джерела енергії, а й вдосконалюють вже існуючі або давно забуті.

Так, останнім часом, все більшої популярності набуває вітрова енергетика, яка в свій час зіграла значну роль в становленні та розвитку деяких європейських держав.

Чергову популярність вітроенергетика почала набувати в 70 роках минулого століття, коли остаточно було сформовано основні теорії аеродинаміки, а застосування полімерних матеріалів дозволило знизити матеріаломісткість конструкцій та підвищити їх надійність.

Використання малих вітроенергетичних установок часто має ряд соціально-економічних переваг перед використанням дизельних генераторів або розширенням існуючої енергосистеми. Вітросистема менше за розміром, вона являє собою єдиний модуль та потребує менше часу на її установку, ніж на роботи з розширення існуючої енергосистеми. До того ж ВЕУ може стати незамінною в тих місцях, де в принципі неможливо провести традиційну енергосистему, наприклад на північному та південному полюсах чи віддаленому острові.

Іронічно, що вітер був одним з перших природних джерел енергії використовуваних людиною, та повністю реалізувати енергетичний потенціал вітру не вдається й на сьогоднішній день. Сьогодні все ще тривають пошуки більш вигідних з точки зору ефективності конструкцій ВЕУ, профілів лопатей та матеріалів для їх виготовлення.

Досягнення певних успіхів в цій області енергетики сприяє популяризації ВЕУ серед населення. Що в свою чергу породжує масштабне виробництво вітроустановок в усьому світі та дозволяє істотно знизити ціни на матеріали для їх виробництва. Також, значна популяризація вітроенергетики привертає увагу все більш зацікавлених ентузіастів, які також впливають на технологічний розвиток цього виду енергетики.

ВЕУ не позбавлена недоліків. Так, основним з них, є пряма залежність її роботи від вітрової обстановки в місцевості, де планується експлуатація. Без детального попереднього дослідження ділянки і без наявності реальних даних щодо стану швидкості вітру, неможливо вибрати відповідну ВЕУ. Цей аспект змушує інженерів проводити певні підготовчі роботи з визначення вітрового потенціалу місцевості. І, внаслідок отриманих даних, проводити інженерні розрахунки ВЕУ підходящої для цієї конкретної місцевості з урахуванням необхідних генеруючих потужностей.

З іншого боку, достатні потужності сучасної обчислювальної техніки та наявність сформованих методик розрахунку, а також вільний доступ до великого розмаїття суміжних галузей, дозволяють автоматизувати цей процес.

Мета цієї статті – познайомити аудиторію з програмним продуктом, який дозволяє нівелювати значні затрати часу на інженерні розрахунки під час проектування вітроколеса ВЕУ потужністю від 100 Вт до 100 кВт.

«Аеродинама» – це онлайн ресурс, веб-інтерфейс якого показано на рисунку.

Програму «Аеродинама» засновано на сучасних досягненнях в області вітроенергетики. Інструмент розроблено за допомогою мови програмування PHP, а покладений в основу алгоритм розрахунку, дозволяє спроектувати ВЕУ від 100 Вт до 100 кВт. Значні зусилля під час розробки інструменту було направлено на створення простого та інтуїтивно зрозумілого інтерфейса користувача.

На сьогоднішній день, версія програми під номером 3.5, має модульну структуру та складається з наступних компонентів (модулів): геолокація, метеорологія, характеристики профілів, введення даних, аеродинамічний розрахунок, розрахунок режимів роботи ВЕУ, розрахункові характеристики та технічна документація.

Веб-інтерфейс користувача представлено українською, російською, англійською та німецькою мовами. Мова за замовчуванням – російська.

Розглянемо окремо особливості кожного модуля.

Модуль геолокації автоматично визначає місце розташування користувача, а також мовну локаль. Якщо в списку мов Аеродинами відсутня мовна локаль користувача, то буде використано мову за замовчуванням, але користувач в будь-який момент має можливість змінити мову інтарфейса на одну з представлених.

Також, за допомогою цього компонента визначається місце розташування користувача з точністю до населеного пункту. Ці дані необхідні для отримання погодних умов місцевості.

Метеорологічний модуль необхідний для отримання статистичних метеоданих, таких як середньорічна швидкість вітру. Отримання даних проводиться шляхом парсингу веб-ресурсів з прогнозами погоди. Вибірка здійснюється за фактичними даними за період 10 років та зберігається в локальній базі даних програми. Після входу користувача на сторінку введення даних, йому буде запропоновано використовувати автоматично обчислену швидкість вітру для певного населеного пункту, про що користувача буде проінформовано. Проте, у користувача залишається можливість ввести дану інформацію самостійно, якщо він не впевнений в коректності автоматичних даних чи бажає провести розрахунок для іншої місцевості.

Модуль характеристик профілів містить певний набір перетинів профілю лопаті. У дану версію програми включено наступні профілі BRUXEL 36, CLARK Y, Espero 20%, GOE 188, GOE 225 та NACA 0012. База профілів містить в собі зображення профілю, список його безрозмірних координат та кілька таблиць з полярами продувки профілю в аеродинамічній трубі на низьких числах Рейнольдса. Зазначена інформація переважно ґрунтується на даних представлених в Airfoil Tools.

Модуль введення даних приймає параметри введені користувачем та проводить їх валідацію відповідно до заданих правил. Не коректні параметри замінюються на параметри за замовчуванням (за замовчуванням встановлено найпопулярніші значення що вводились раніше іншими користувачами), а користувачеві видається відповідне попередження.

В модулі аеродинамічних розрахунків проводиться розрахунок основних параметрів вітроколеса. В основу алгоритму покладено алгоритм розрахунку реального вітряка, представлений професором Г.Х. Сабініним з деякими доповненнями, та складається з двох частин.

У першій частині аеродинамічного розрахунку проводяться обчислення аеродинамічних втрат вітроколеса та безрозмірних параметрів лопаті ВЕУ. Для цього лопать умовно розбивається на п’ять частин та проводяться диференціальні обчислення для кожної окремої ділянки. На цьому етапі активно використовується база поляр продувки в аеродинамічній трубі обраного профілю.

У другій частині в першу чергу визначається розрахункова швидкість вітру з урахуванням заданої висоти установки ВЕУ та індексу місцевості. Тут використовується показник середньорічної швидкості вітру, отриманий автоматично, або той що було введено користувачем самостійно, а також його коригування. Далі, в циклі, визначаються розмірні параметри лопаті та коригується висота щогли. Щогла підбирається таким чином, щоб нижня частина кінчика лопаті знаходилася на 3 метри вище перешкоди або поверхні землі чи води. Це дозволяє не тільки зменшити турбулентний вплив на гвинт, а й убезпечити людину яка може бути поряд.

Але якщо користувач вибрав параметр який вказує на конкретну висоту щогли, автоматичний підбір не використовується.

Після отримання основних розмірів лопаті, проводиться обчислення точок для побудови її перетинів. На цьому кроці використовуються дані безрозмірних параметрів обраного профілю.

В результаті роботи модуля аеродинамічного розрахунку, отримуємо основні розмірні параметри гвинта ВЕУ, такі як загальна довжина лопаті та список координат в мм щодо осі обертання гвинта, а також хмару точок, завдяки яким можливе побудування 3Д моделі лопаті за допомогою CADсистеми.

Модуль розрахунку режимів роботи ВЕУ дозволяє прогнозувати роботу гвинта за такими характеристиками як потужність, кількість обертів на хвилину та крутний момент тиск на всьому діапазоні обраних швидкостей вітру. Діапазон обраних швидкостей вітру будується від 0 м/с до швидкості, зазначеної користувачем як швидкість бурі. В результаті користувач отримує три графіка, які наочно показують залежності обраних параметрів від швидкостей вітру.

Модуль розрахункових характеристик використовується для відображення результатів розрахунку гвинта ВЕУ на розрахунковому вітру для заданої потужності з урахуванням ККД механічної передачі і ККД генератора, якщо такий було встановлено.

В результаті користувач отримує інформацію про розрахункову швидкість вітру, діаметри та радіуси гвинта ВЕУ, розрахункову висоту щогли та коефіцієнти використання енергії вітру, а також, якщо було вказано стартовий момент генератора, швидкості вітру, за якої вітроколесо починає обертання. Крім цього, користувача поінформовано щодо розрахункових та екстремальних значень обертів гвинта ВЕУ, крутного моменту на валу та сили лобового тиску на гвинт.

Модуль технічної документації дозволяє сформувати результат роботи Аеродинами у вигляді PDF документа. Результуючий документ містить роздруківку введених та розрахованих даних, а також координат для побудови перетинів лопаті в мм, в системі координат, зорієнтованої щодо площини обертання гвинта та його центру. Також користувач має можливість сформувати документ, що містить креслення перетинів в масштабі 1:1. Для зручності користувача, креслення автоматично розбиваються на аркуші формату А4, якщо розмір перетину більше ніж один аркуш даного формату.

На рисунку представлено приклад розбиття креслення, що автоматично згенеровано, на два аркуші формату А4. Пунктирною лінією позначено місце для склеювання листів.

Для того щоб отримати документ, користувач має вибрати один з представлених звітів. Базовий звіт, що має роздруківку координат побудови лопаті. Чи повний звіт, який містить в собі креслення всіх перетинів лопаті.

Загальний алгоритм роботи Аеродинами представлений на рисунку.

У багатьох країнах продовження високовольтної лінії електропередачі на відстань в 1 км може коштувати дорожче, ніж мала ВЕУ невеликої встановленої потужності. З іншого боку, у порівнянні з дизельними генераторами первісна вартість ВЕУ вища, але з точки зору користувачів, вона набагато краща в роботі та не потребує запасів палива, матеріалів змащення та безперервного нагляду.

Економічні розрахунки для малих ВЕУ показують їх конкурентоспроможність (особливо це справедливо для вітротурбін потужністю понад 250 Вт). На території, де середня швидкість вітру перевищує 4 м/с, установка ВЕУ для щоденного виробництва електроенергії до 1 кВт·год буде дешевше, ніж використання дизельного генератора або розширення енергомережі. А ВЕУ потужністю 10 кВт вже при швидкості вітру в 3-3,2 м/с стає рентабельною. Територій, де середньорічна швидкість вітру менша ніж 3 м/с, не так вже й багато.

Проблемою все ще залишається коректне прогнозування роботи ВЕУ, ефективна утилізація вітрового ресурсу та ефективне накопичення виробленої електричної енергії.

Аеродинама є інструментом, що дозволяє позбутися проблеми повторних розрахунків вітроустановок під різні умови вітрової інтенсивності. Комп’ютерний розрахунок займає від 1 до 1.5 секунд, що дозволяє істотно скоротити час інженера на підбір необхідних характеристик ВЕУ на відміну від ручних розрахунків.

Крім того, це онлайн веб-інструмент з відкритим доступом для кожного бажаючого, що має простий інтуїтивно зрозумілий інтерфейс, та вирішує наступні питання:

1. Автоматичний пошук показника середньорічної швидкості вітру для певної території та його обчислення згідно аеродинамічного впливу взаємного розташування лопатей, впливу висоти установки та індексу місцевості.

2. Визначення основних габаритних розмірів вітротурбіни та висоту її установки, що забезпечують задану розрахункову потужність.

3. Підбір схеми, що забезпечить старт вітротурбіни на мінімально можливій швидкості вітру.

4. Розрахунок аеродинамічних характеристик лопатей та підбір найбільш оптимального профілю.

5. Розрахунок коефіцієнта використання енергії вітру.

6. Проведення оптимізаційних розрахунків з метою отримання розмірів лопатей та їх кутів установки, що забезпечують максимальну ефективність вітротурбіни.

7. Підготовка даних за величинами аеродинамічних сил та механічних моментів для всього використовуваного діапазону швидкохідності, необхідних для проведення динамічних розрахунків та розрахунків на міцність.

8. Підготовка конструкторської документації для виготовлення лопатей.

9. Прогнозування режимів роботі ВЕУ на всьому діапазоні заданих швидкостей вітру з кроком в 1 м/с.

10. Графічне відображення режимів роботи ВЕУ на різних швидкостях вітру.

Схожі публікації:

#6 / Вітряк «NoName-1» / заміри напруги тестової котушки
Енергія вітру

#6 / Вітряк «NoName-1» / заміри напруги тестової котушки

Детальніше
Експериментальне підтвердження математичної моделі, виконаної в програмі «Аеродинама»
Енергія вітру

Експериментальне підтвердження математичної моделі, виконаної в програмі «Аеродинама»

Детальніше
#4 / Вітряк «NoName-1» / поклейка магнітів перший етап / залипання / звук генератора
Енергія вітру

#4 / Вітряк «NoName-1» / поклейка магнітів перший етап / залипання / звук генератора

Детальніше
#3 / Вітряк «NoName-1» / розмітка ротора для поклейки магнітів
Енергія вітру

#3 / Вітряк «NoName-1» / розмітка ротора для поклейки магнітів

Детальніше

Ми використовуємо файли cookie для персоналізації вмісту та реклами, надання функцій соціальних медіа та аналізу трафіку. Ми також ділимось інформацією про ваше використання нашого веб-сайту з нашими соціальними мережами, партнерами з реклами та аналітики, які можуть поєднувати його з іншою інформацією, яку ви їм надали, або яку вони зібрали під час використання ваших послуг