АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 5
1 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИЗУЧЕНИЕ РАССМАТРИВАЕМОЙ НАУЧНОЙ
ПРОБЛЕМЫ, ВКЛЮЧАЯ ТЕХНИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ
ВОПРОСЫ 6
1.1 Анализ материалов в области изучения рассогласования угла ориентации горизонтально-осевой ветроэнергетической установки 8
1.2 Анализ определения величины рассогласования угла ориентации и
её влияния на выработку электроэнергии 13
1.2.1 Метод вибрационного анализа для вычисления угла
ориентации 24
1.2.2 Алгоритм цифровой обработки параметров турбины и вычисление угла ориентации
1.2.3 Влияние аэродинамического воздействия на
динамическую устойчивость турбины вследствие рассогласования угла ориентации 25
1.2.4 Эффект взаимовлияния ВЭУ в составе ветропарка 26
1.3 Углублённое теоретическое и практическое изучение стратегии
управления ориентацией 34
1.3.1 Аналитическое описание проблемы и результаты экспериментальных исследований
1.3.2 Обзор существующих конструкций ГО ВЭУ и
обоснование выбора конкретной конструкции для изучения 39
1.3.3 Обоснование исследовательского подхода 42
1.3.4 Моделирование системы ориентации
ветроэнергетической ус6тановки 47
1.3.5 Обоснование выбора программного обеспечения для
моделирования ГО ВЭУ и исследования потоков 61
1.3.6 Обоснование выбора исследуемого сегмента ГО ВЭУ 62
2 МОДЕЛИРОВАНИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОТОКОВ 64
2.1 Геометрия модели 66
2.2 Сетка 70
2.3 Установка параметров 73
2.4 Анализ результатов расчёта 80
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 90
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 92
В ветроэнергетике существует проблема эффективности энерговыработки у горизонтально-осевых ветроэнергетических установок (ГО ВЭУ). Когда поток ветра проходит через вращающиеся лопасти ротора, то его направление искажается. Ближе к концу гондолы ВЭУ находится прибор анеморумбометр, который фиксирует скорость ветра и его направление и передаёт данные на систему управления ВЭУ, которая в свою очередь разворачивает ротор перпендикулярно направлению потока ветра для достижения наибольшей эффективности в энерговыработке. Но из-за того, что прибор получает искажённые данные, разворот ротора ВЭУ получается недостаточным, и ометаемая площадь имеет форму эллипса вместо круга, что приводит к снижению энергоэффективности.
Для устранения данной проблемы должен быть разработан алгоритм устранения ошибки угла ориентации, что является задачей для последующих работ. Чтобы к ним приступить, необходимо провести анализ проблемы, изучить известные случаи, и в конечном счёте осуществить трёхмерное моделирование процессов для выбранной ВЭУ. Итогом проделанной работы является выявление численных значений углов отклонения в определённые моменты времени при различных скоростях ветра в определённом временном диапазоне.
Полученные исследовательские данные могут быть использованы для разработки алгоритма устранения ошибки угла ориентации ротора.
Достигнутые результаты: новые знания о путях и методах решения задач. Значимость работы заключается в получении существенных и важных для науки новых знаний, приведённых в работе.
1. Проведён анализ материалов в области изучения рассогласования угла ориентации, в результате которого выявлено, что все без исключения горизонтально-осевые ветроэнергоустановки (ГО ВЭУ) имеют постоянную ошибку угла ориентации в пределах 5...40 градусов. Методы, применяемые для снижения ошибки ориентации, дают корректировку угла до уровня не менее 12 градусов. В среднем недовыработка мощности составляет около 7%. В мировом масштабе, с учётом выработки ветроэлектростанциями около 900 ТВт-ч в год, потери составляют 63 ТВт-ч или при средней стоимости 5 центов за кВт-ч свыше $3 млрд. в год. Эти данные являются новыми знаниями в области экономики ветроэнергетики.
2. Проведён обзор существующих конструкций ГО ВЭУ, выявлены наиболее распространённые на рынке модификации ВЭУ. Рассмотрен эффект взаимовлияния ВЭУ в составе ветропарка. Обоснован выбор исследуемой модели ГО ВЭУ и выбор программного обеспечения для проведения исследований. Обоснован выбор исследуемого сегмента на гондоле ГО ВЭУ.
3. Построена компьютерная 3D модель исследуемой установки Siemens: SWT-3.6-120. Проведено численное моделирование аэродинамических потоков (продувы) в исследуемом сегменте в пакете Ansys CFX с соответствующим импортом моделей и настройками в стационарном и динамическом режимах. Приведены пошаговые исследования потоков в районе расположения анеморумбометра.
4. Вычислено минимальное расстояние от ступицы (5 метров) и высота анеморумбометра на гондоле (3 метра) для данной модели; этот результат может быть адаптирован к любой без исключения ГО ВЭУ в зависимости от
геометрических особенностей профиля лопасти. Это один из важнейших результатов исследований, являющийся абсолютно новым в мировом масштабе.
5. Выявлено, что при одной и той же быстроходности картина отклонения потока за вращающимися лопастями не зависит от скорости набегающего потока ветра. Амплитуда (или величина) отклонения угла флюгера анеморумбометра одинакова при переменной скорости потока, если быстроходность постоянна.
Как видно из третьего графика на рисунке 54, ориентировочно после 10-й секунды начинается установившийся режим. В данном случае дифференциальная ошибка находится в диапазоне от -40 до +40 град.
Из рисунка 54 можно получить зависимость изменения частоты пульсаций от скорости. Она отличается от экспериментальных значений не более чем на 15%, что свидетельствует о хорошем совпадении математического моделирования параметров пульсации (изменения вектора скорости ветра) для хвостовой части лопасти ветротурбины.
Численные значения отклонений флюгера анеморумбометра могут быть использованы для разработки алгоритма устранения ошибки угла ориентации ротора.
Также делается вывод о том, что модель турбулентности k-e не предназначена для моделирования больших вихрей, однако результаты получены с хорошей точностью. Для продолжения исследований необходимо оценить возможность получения отклонения вектора скорости ветра за хвостовой частью лопасти по более адаптированным моделям, таким как DES и LES.
