Как известно, одним из существенных факторов снижения эффективности работы ветроэлектрических станций (ВЭС) является случайный характер колебаний скорости и направления движения воздушных масс. Для создания требуемого воздушного потока в последние годы предложен ряд разработок конструкций ВЭС с использованием концентраторов воздушного потока [1, 2, 3]. Концентраторы во многих разработках выполнены в виде неподвижных конструкций диффузорного или конфузорного типов. Однако их использование не всегда эффективно в связи с большими потерями энергии ветра (от 15 до 25 %). Как известно, входящий в подобные концентраторы поток воздуха (даже если до входа он был ламинарным, параллельным оси концентратора) условно разделяется на два, один из них, центральный, ускоряется, почти не встречая сопротивления, а второй, контактируя со стенками концентратора завихряется, образуя некоторую турбулентность, создающую достаточно серьезное сопротивление. Этот недостаток отсутствует в многосекционных концентраторах, в которых отдельные секции выполнены в виде спиралей, например логарифмических. Их не требуется ориентировать по направлению движения воздушного потока. Зачастую это весьма капитальные конструкции, в которых направляющими служат стены строительных объектов ( жилые здания), размещенные соответствующим образом.
Современное состояние проблемы
Известны разновидности концентраторов, выполненных по форме известного сопла Вентури с коротким диффузором на выходе, внутри которого по центру располагается рассекатель воздушного потока аэродинамической формы, вытянутый вдоль оси диаметром немногим больше выходного отверстия, плавно сужающеся до острия в горловине сопла, известного под именем сопло Савельева [4, 5]. Подобный концентратор достаточно эффективен особенно при малых скоростях движения воздушного потока, кпд его максимален.
Известна конструкция ВЭС (И.А. Антуфьев, ВИЭСХ), содержащая концентратор воздушного потока, ветротурбину вертикального исполнения, электрический генератор, выполненная в виде окруженной опорным монолитом башни с центральным вертикальным каналом, магистральными воздуховодами и прилегающими к ней жилыми массивами, выполняющими функцию концентраторов воздушных потоков для магистральных воздуховодов. Недостатком данной конструкции является ее громоздкость и необходимость размещения жилых зданий соответствующим образом, что не всегда возможно выполнить даже на стадии проектирования.
Известна конструкция ВЭС с концентратором воздушного потока [5] кольцевого многосекционного типа, в которой практически полностью исключена зависимость эффективности работы ВЭС от изменяющегося во времени направления ветра. Но ее основным недостатком, по нашему мнению, является сложность конструкции, значительные материальные затраты и, следовательно, большой срок окупаемости ее строительства.
Предлагаемое решение проблемы
В этой связи предлагается конструкцию ВЭС дополнить концентратором ветрового потока, изготовленного в виде сопла Савельева, положение которого в произвольный момент времени регулируется автоматической системой, следящей за изменениями направления ветрового потока с дополнительным контуром регулирования величины угла раструбности концентратора (рис. 1). Целесообразность регулирования величины угла раструбности диктуется следующими соображениями. Поскольку скорости движения воздуха могут изменяться в широких пределах (от 0 до 25 м/с, а при ураганах до 100 м/с и более), целесообразно створки концентратора выполнить подвижными, что дает возможность плавно регулировать оптимальным образом угол раструбности концентратора в соответствии со средней (за определенный интервал времени) скоростью движения ветра, а при ураганной скорости – полностью закрывать концентратор, чтобы его не «разнесло и не унесло».
Рис. 1. Условные обозначения: 1 – металлический сварной каркас ВЭС; 2 – ветропривод; 3 – концентратор Савельева; 4 – аэродинамический рассекатель воздушного потока; 5 – дополнительный контур регулирования угла раструбности концентратора; 6 – электрический генератор; 7 – бетонный фундамент ВЭС; 8 – САУ положением концентратора с датчиками направления и скорости движения воздуха
Рис. 2. Условные обозначения: 1 – датчик направления и скорости ветра; 2 – элемент сравнения; 3 – усилитель разностного сигнала; 4 – исполнительное устройство; 5 – привод разворота концентратора; 6 – концентратор; 7 – датчик угла отклонения положения концентратора от заданного значения; 8 – программное устройство установки оптимального угла раструбности; 9 – элемент сравнения; 10 – усилитель разностного сигнала; 11 – исполнительное устройство; 12 – привод регулятора величины угла раструбности концентратора; 13 – преобразователь фактической величины угла раструбности; 14 – регулируемые створки концентратора
Структурная схема САУ концентратором с дополнительным контуром регулирования величины угла раструбности приведена на рис. 2.
Выводы
1. Проведенные экспериментальные исследования с использованием методов компьютерного моделирования подтвердили целесообразность использования предлагаемых дополнений к конструкции ВЭС.
2. Практическая реализация ветроэлектрической станции с управляемым концентратором с дополнительным контуром регулирования величины угла раструбности, позволяет обеспечить ветроприводу ВЭС максимально возможный набегающий поток воздуха даже в местностях с относительно небольшим ветропотенциалом. А при ураганной скорости движения воздуха – полностью закрыть концентратор, чтобы не допустить его разрушения. И таким образом дополнительно повысить безопасность и эффективность действующей ВЭС.
Рецензенты:
Волосухин В.А., д.т.н., профессор кафедры гидротехнических сооружений и строительной механики, Новочеркасский инженерно-мелиоративный институт, г. Новочеркасск;
Шаршак В.К., д.т.н., профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности, механизация и автоматизация технологических процессов и производств», ФГБОУ ВПО «Донской государственный аграрный университет», г. Новочеркасск.
Работа поступила в редакцию 10.04.2015.