Метод повышения эффективности горизонтально осевых ветровых турбин
Согласно общепринятой методике, до сих пор применяется аэродинамическая модель ветровой турбины, в которой лопасти находятся в режиме ламинарного обтекания воздушным потоком (с углами атаки до 5 градусов в каждом их сечении) в расчетном диапазоне скоростей. В предлагаемом изобретении рассматривается такая модель ветровой турбины, в которой лопасти в своей комлевой части находятся в закритической, по углам притекания потока, т.е. в срывной зоне обтекания. Достигается это путем уменьшения геометрической крутки лопасти в комлевой ее части либо полным ее отсутствием (в частном случае). Установив по передней кромке комля такой лопасти предкрылок (иначе, дефлектор), можно использовать закритический режим обтекания потоком, в известной степени ламинируя его.
Какую пользу это может принести?
В каждом конкретном случае необходимо сравнение с прототипом. В качестве прототипа рассматривается одно-, двух- или трехлопастная (в пределе – без ограничения количества лопастей) горизонтально осевая ветровая турбина, в которой лопасть может иметь угол относительной закрученности сечений в диапазоне от 0° до 90°.В зависимости от диаметра ротора и, соответственно, геометрической закрученности лопастей, диапазон исследуемой зоны комля может варьироваться, по оценкам, в пределах 20% — 70% от всей длины лопасти. Автор полагает, что применение такой методики форсирования позволит получить дополнительный импульс по направлению вращения ветротурбины, который благотворно скажется на условиях работы лопастей в каждом их сечении. Что в свою очередь даст увеличение крутящего момента и угловой скорости вращения ветротурбины в названном ниже для примера диапазоне ветров вплоть до достижения ветроэнергетической установки (ВЭУ) номинальной (проектной) выходной мощности. Это допущение можно обосновать, следуя теории лопасти: чем больше отклонение потока за каждым сечением лопасти, тем больше движущая сила турбины в целом.
В пользу метода форсирования ветровых турбин с горизонтальной осью вращения свидетельствует определение из теории Беца – Жуковского — максимальный коэффициент полезного действия ветровой турбины (предел Беца — Жуковского, равный 59,3 %), достигается, когда скорость воздушного потока за ветровой турбиной становится в три раза ниже скорости воздушного потока перед ветровой турбиной. Достижению максимального приближения к пределу Беца — Жуковского способствует применение предкрылка (дефлектора): по принципу своего действия он отклоняет (тормозит) ветровой поток за турбиной, более, чем любое из известных устройств, применяемых в прототипе.
Экономически это выразится в следующем.
Допустим, прототип ВЭУ выходит на проектную мощность при скорости ветра 13 м/с. Скорость ветра, при котором возможно вращение ветротурбины -4 м/с. Так вот, в этом диапазоне ветров, применяя модифицированную ветровую турбину, мы получим прирост выходной мощности ВЭУ около 10-15%% (по самым осторожным оценкам) в каждый момент времени по сравнению с тем, что бы мы имели, используя прежнюю модель ветровой турбины. Запуск ветротурбины станет возможным уже при 3,5 м/с.
Кроме этого, выход на проектную мощность ВЭУ с модифицированной ветровой турбиной будет осуществляться уже при скорости ветра 10-11 м/с (против 13 м/с у прототипа).
По такому алгоритму предполагается снижение любой скорости ветра, заявленной разработчиком ВЭУ.
На фиг.1 представлена графическая интерпретация возрастания эффективности ветровой энергетической установки (ВЭУ) посредством применения форсированной ветровой турбины на примере графика «мощность – ветер» P = ƒ (V):
-•-•-•-•-•-• — для выбранного прототипа ветровой турбины;
────── — для форсированной ветровой турбины,
где:
- V01 – начальная скорость ветра форсированной ветровой турбины;
- V02 – начальная скорость ветра прототипа ветровой турбины;
- Vном1 – номинальная скорость ветра форсированной ветровой турбины;
- Vном2 – номинальная скорость ветра прототипа ветровой турбины;
- Vί – произвольно выбранная скорость ветра в диапазоне между V02 и Vном1.
Ожидаемый эффект состоит в приросте выходной мощности на величину ΔР в каждый момент времени, по отношению к прототипу. По достижении ВЭУ номинальной выходной мощности Рном вступает в действие программа ограничения угловой скорости вращения ветровой турбины, аналогичная прототипу.
Эффективность предлагаемого метода модификации (иначе, форсирования) роторов, использующих энергию набегающего воздушного потока, подтверждена независимыми экспертами, в их числе – КБ вертолетостроения им. Миля (г.Москва), Национальная лаборатория возобновляемой энергии (США).
Автор предвидит возражения оппонентов: мол, достаточно удлинить лопасти и получить искомый результат. На первый взгляд, очевидное решение. Но это все равно, что из пушки по воробьям… Во-первых, есть предел удлинению лопастей. Во-вторых, всегда есть возможность априори повысить эффективность роторов любых диаметров. Данное изобретение особенно экономически выгодно применять именно для больших роторов. Вплоть до того, что можно использовать предкрылок (иначе, дефлектор) по всей передней кромке лопасти; при этом отсечь остающуюся «чистую» часть лопасти, для упрощения технологии производства.
Варианты исполнения ветровой турбины форсированного типа представлены на рис.2, где:
1 – лопасть;
2 – предкрылок;
β — угол относительной закрученности сечений лопасти и предкрылка:
-•-•-•-•-•-• — для лопасти прототипа;
────── — для лопасти форсированной ветровой турбины;
─ ─ ─ ─ ─ — для предкрылка лопасти форсированной ветровой турбины.
I – вариант исполнения лопасти форсированной ветровой турбины со скачкообразным переходом по углам относительной закрученности сечений лопасти от комля к перу.
II — вариант исполнения лопасти форсированной ветровой турбины с наличием участка интегрированного перехода от комля к перу.
Заштрихованный участок – перо лопасти.
У форсированной ветровой турбины угол относительной закрученности сечений лопастей β на величину Δβ меньше, чем у прототипа.
Примечание к фиг.2: Отношение OX/OL (где OX – комлевая часть, обслуживаемая предкрылком, OL – общая длина лопасти) тем больше, чем больше угол относительной закрученности лопасти ветровой турбины выбранного прототипа.
(На примере прототипа ветровой турбины с максимально возможными углами относительной закрученности сечений лопастей 80-90°. У модифицированной ветротурбины этот же угол на 15-20° меньше, чем у прототипа).
Лопасть форсированной горизонтально осевой ветровой турбины может быть выполнена в варианте с интегрированным участком перехода от комля к перу, а также в варианте со скачкообразным, по углу относительной закрученности сечений, переходом от комля к перу.
В частном случае предкрылок может быть установлен по передней кромке лопасти форсированной ветровой турбины по всей ее длине, для упрощения технологии производства или по конструктивной необходимости. В этом случае отношение OX/OL равно 1.
Предлагаемую методику форсирования ветровых турбин можно использовать на действующих полях (ветропарках) промышленных ВЭУ, не прерывая в целом их эксплуатацию. Например, путём плановой замены лопастей на форсированные, по мере выработки ими технического ресурса.
Автор предлагает следующий план коммерциализации проекта по повышению производительности промышленных ветропарков.
1. Выбирается лопасть в качестве базового прототипа — совершенно случайно — у эксплуатанта, разработчика.
2. Анализируются характеристики прототипа, в первую очередь аэродинамические — поляра профиля, например.
3. Дается техзадание (в ЦАГИ) на продувку выбранного прототипа ветротурбины с предкрылком.
4. Исходя из поляр профиля (с предкрылком и без него) определяется аэродинамическая компоновка форсированной лопасти с предкрылком.
5. Коммерциализация. Серийное производство форсированных таким образом ветротурбин по заявкам эксплуатантов, замена в плановом порядке старых ветротурбин на форсированные без остановки ветропарков, продажа лицензий на апробированную методику девелоперам, разработчикам ВЭУ.
Сергей Александрович Кобка