Введение Одним из возможных вариантов экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) является использование возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в том числе для энергоснабжения судов, нефтедобывающих платформ и других объектов [1-3]. Для морских объектов наиболее перспективным представляется использование ветровой энергии. Ветроэнергоустановки (ВЭУ) могут использоваться как в составе энергокомплексов с ВИЭ, так и самостоятельно для выработки электроэнергии, тепловой энергии и для привода гребного винта [4-13]. В настоящее время наиболее широко распространены горизонтально-осевые (ГО) ВЭУ пропеллерного типа, в том числе и для электроснабжения маломерных, главным образом парусных судов. Для них накоплен огромный опыт проектирования, производства и эксплуатации. Уязвимым местом ветроколес пропеллерного типа является зависимость их работы от направления ветра, что значительно снижает их фактическую эффективность, т. е. энергетический КПД, - с 0,35-0,45 при ветровом потоке строго вдоль оси ветроколеса до 0,15-0,25. Вследствие этого они нуждаются в специальных устройствах для ориентации ветроколеса по ветру, которые, тем не менее, не могут существенно повысить их КПД. В отличие от ветроколес пропеллерного типа, имеющих горизонтальную ось вращения, вертикально-осевые ветроэнергетические установки (ВО ВЭУ) могут работать при любом направлении ветра и не нуждаются в устройствах ориентации. Именно эта способность является главным достоинством ВО ВЭУ. К этому типу ВЭУ относятся установки с ротором Дарье толкающего типа (за счет феноменов подъемной силы крыла) и ротором Савониуса тянущего типа (за счет дифференциального лобового сопротивления) [10-14]. Таким образом, комбинированные ветродвигатели на основе роторов Дарье и Савониуса имеют явные преимущества по сравнению со следующими конструкциями: ГО ВЭУ - за счет независимости от направления ветра; ВО ВЭУ толкающего типа - за счет более высокого пускового момента при малых значениях скорости ветра; ВО ВЭУ тянущего типа - за счет более высокого КПД. Именно комбинированные вертикально-осевые ветроэнергоустановки (КВО ВЭУ) необходимо совершенствовать для повышения их энергетической эффективности и более широкого применения на судах и морских нефтедобывающих платформах. Целью наших исследований являлось определение основных энергетических параметров КВО ВЭУ, таких как коэффициент мощности (энергетический КПД) и мощность в зависимости от геометрических, кинематических и аэродинамических параметров. Основные результаты исследования Рассмотрим энергетические параметры роторов Дарье и Савониуса, которые зависят от большого числа геометрических и кинематических параметров ротора и воздушного потока, и на их основе определим энергетические параметры КВО ВЭУ [12-14]. Основные параметры трехлопастного ротора Дарье с прямыми лопастями показаны на рис. 1. Здесь L, b, c - длина, хорда и максимальная толщина лопасти; R - радиус ротора; - угол установки лопасти; ω - угловая скорость вращения ротора; V - скорость ветрового потока. Безразмерными параметрами являются: z = ωR/V - коэффициент быстроходности ротора; λ = L/b - удлинение лопасти; c = c/b - относительная толщина лопасти; σ - коэффициент заполнения (затенения) сечения. На рис. 2 изображен ротор Савониуса. R Рис. 1. Ротор Дарье Рис. 2. Ротор Савониуса Основной энергетической характеристикой ротора любого типа является зависимость коэффициента использования энергии ветрового потока (энергетического КПД) от геометрии (конструкции ротора) и быстроходности ротора z. В ветроэнергетике коэффициент использования энергии ветрового потока, или энергетический КПД, определяется отношением полезной мощности N, которую ротор способен забрать у потока, к мощности потока в поперечном сечении ротора: , причем мощность ветрового потока , где ρ - плотность воздуха; S = 2RL - площадь сечения ветрового потока. Таким образом, полезная мощность ветродвигателя любого типа (основной части ВЭУ) . Результаты экспериментальных исследований показывают существенную зависимость коэффициента использования энергии ветрового потока СN от геометрических параметров ветроколеса [14-18]. В этой связи конструктору важно знать предельные энергетические возможности ветроколеса, которые можно «выжать» из него в процессе проектирования. Для оценки предельных энергетических возможностей ветроколеса было введено понятие идеального ветроколеса. Под ним понимают некоторое виртуальное ветроколесо, работающее без потерь. Принято считать, что ротор Дарье и ветроколесо пропеллерного типа имеют одинаковые предельные значения коэффициента использования энергии ветрового потока. Однако экспериментальные исследования последнего времени показали, что ротор Дарье может иметь более высокие энергетические характеристики, чем ветровое колесо пропеллерного типа [16], поэтому целесообразно рассматривать ВО ВЭУ, основанную на роторе Дарье, с возможными доработками и изменениями в конструкции. У ротора Савониуса коэффициент использования энергии потока ниже, чем у ротора Дарье. Несмотря на это, ротор Савониуса представляет практический интерес. Обусловлено это такими его достоинствами, как простота и дешевизна конструкции, возможность работы при любом направлении ветра, а также большой пусковой аэродинамический момент, обеспечивающий его самозапуск. Эти качества ротора Савониуса делают его идеальным экономическим источником энергии малой мощности. Структура течения внутри ротора Савониуса чрезвычайно сложна. При вращении ротора происходит отрыв потока с кромок лопастей, образуется мощное вихревое течение, которое существенно зависит не только от положения лопастей, но и от скорости вращения ротора [17-19]. Экспериментальному исследованию ротора Савониуса посвящено много работ. Наиболее полные результаты приведены в [17]. Найдены оптимальные соотношения геометрических параметров ротора, при которых достигается максимальная энергетическая эффективность. В то же время испытания в аэродинамических трубах выявили большой разброс в результатах исследований, что свидетельствует о существенном влиянии ограниченности потока в аэродинамической трубе. Установлено, что с увеличением коэффициента загромождения потока происходит значительный рост (изменение коэффициента загромождения с 5 до 20 % может увеличить в 2 раза). При этом максимум достигается при более высоком значении быстроходности. В [17] приведены также расчёты оптимальной угловой скорости вращения вала ветротурбины с вертикальной осью для моделей различной комплектации для ветродвигателя, работа которого основана на использовании разности аэродинамических коэффициентов лопастей с наветренной и подветренной сторон при их обдувании с поворотом вокруг вертикальной оси на 360°. Было выполнено также сравнение результатов вычислений по указанным формулам с показателями испытаний моделей ветродвигателей различной конструктивной комплектации, проведенных в аэродинамической трубе фирмы УНИКОН (г. Кемерово). Таким образом, на основе аналитических и экспериментальных исследований были выявлены следующие преимущества ротора Дарье: отсутствие необходимости в системе ориентации на ветер; технологическая простота изготовления лопастей; возможность размещения приводного оборудования на уровне земли, что значительно упрощает его техническое обслуживание. Однако существует и значительный недостаток - при равномерном набегающем потоке ротор Дарье не может запускаться самостоятельно. Ротор Савониуса имеет такие достоинства, как простота и дешевизна конструкции, возможность работы при любом направлении ветра, а также большой пусковой аэродинамический момент, обеспечивающий его самозапуск. Для устранения недостатков каждого из роторов и одновременного сохранения их преимуществ предлагается сконструировать КВО ВЭУ, ротор которой показан на рис. 3. Для определения полезной мощности КВО ВЭУ (в формулах - КУ), ротор которой состоит из роторов Дарье и Савониуса, предлагается следующая формула: , (1) где , - энергетические КПД роторов Дарье и Савониуса; - площадь сечения ветрового потока (ометаемая площадь), проходящего через роторы Дарье и Савониуса. Формула (1) может быть приведена к более универсальному и удобному для расчетов виду: , (2) где - энергетический КПД ротора КВО ВЭУ, который может быть при одинаковой высоте лопастей роторов Дарье и Савониуса определен по формуле , (3) где - диаметр роторов Савониуса и Дарье соответственно (). Рис. 3. Схема ротора КВО ВЭУ Чтобы после того, как ротор Савониуса раскрутит комбинированный ротор, не произошло торможения в работе ротора Дарье, соотношение между их диаметрами должно быть равно оптимальному соотношению коэффициентов их быстроходностей, т. е. . (4) Расчеты по формулам (2) и (3), с учетом соотношения (4), позволили получить значение энергетического КПД ротора КВО ВЭУ, равное 0,36, что лишь на немного ниже значения для ВО ВЭУ с ротором Дарье - 0,40. При этом осуществляется самозапуск КВО ВЭУ. Следует, однако, отметить, что необходима экспериментальная проверка полученных нами формул, в частности зависимости (3). Зависимость полезной мощности комбинированной установки от скорости воздушного потока и ометаемой площади ротора представлена на рис. 4. Как видно из рис. 4, при увеличении скорости ветра с 2 до 10 м/с и с увеличением ометаемой площади с 5 до 20 м2 мощность ВО ВЭУ возрастает с 8 Вт до 4,5 кВт. При номинальной скорости ветра 9 м/с, типичной для ВЭУ малой мощности, и ометаемой площади 20 м2 номинальная мощность составит 3,4 кВт. Этой мощности вполне достаточно для энергоснабжения маломерных судов, например парусной яхты, катера и др. Расчеты также показывают, что при ометаемой площади 200 м2, с учетом повышения скорости ветра от высоты, мощность КВО ВЭУ может достигнуть 90 кВт. Этой мощности достаточно для энергоснабжения более крупного судна, бытовых помещений нефтедобывающей платформы и другого объекта. Кроме электрической энергии, c помощью КВО ВЭУ может вырабатываться и тепловая энергия с использованием не только теплоэлектронагревателей, но и механических теплогенераторов [13, 20, 21]. Рис. 4. Зависимость коэффициента полезной мощности КВО ВЭУ от скорости воздушного потока и ометаемой площади ротора В Лаборатории нетрадиционной энергетики Саратовского научного центра РАН при Асраханском государственном техническом университете разработана экспериментально-демонстрационная КВО ВЭУ. Эта установка имеет ветроколесо Дарье диаметром 0,50 м с лопастями крылового профиля длиной 0,40 м и вертикальные полуцилиндрические лопасти Савониуса диаметром 0,025 м и высотой 0,40 м. Предварительные эксперименты показали возможность ее самостоятельного запуска при скорости воздушного потока 1,5-2,0 м/с, быстрый набор скорости вращения комбинированного ротора и устойчивую работу при скорости ветра до 7,0 м/с. В дальнейшем предполагается разработать экспериментальную КВО ВЭУ больших размеров, снабдить ее электрогенератором постоянного тока для определения полезной мощности, энергетической эффективности и проведения более детальных исследований параметров этого типа ВЭУ при различных значениях скорости вращения. Новый тип КВО ВЭУ может быть использован для автономного электро- и теплоснабжения, а также опреснения воды на различных объектах, в том числе на промысловых и транспортных судах, нефтедобывающих платформах, что существенно сократит потребление ТЭР. В перспективе эти ВЭУ могут быть использованы и для непосредственного привода гребных винтов различных судов. Заключение В ходе исследований были получены следующие результаты. 1. Анализ источников показал, что комбинированные ветродвигатели на основе роторов Дарье и Савониуса имеют явные преимущества по сравнению с конструкциями ГО ВЭУ, ВО ВЭУ толкающего типа и ВО ВЭУ тянущего типа. Именно КВО ВЭУ должны совершенствоваться с целью повышения их энергетической эффективности и более широкого применения на судах и морских нефтедобывающих платформах. 2. Получена формула для оценки энергетического КПД КВО ВЭУ. Расчеты показали, что энергетический КПД для КВО ВЭУ лишь немного меньше коэффициента полезной мощности ротора Дарье и составляет 0,36. При увеличении скорости ветра до 10 м/с с увеличением ометаемой площади до 10 м2 мощность КВО ВЭУ возрастает до 4,5 кВт. Этой мощности вполне достаточно для энергоснабжения маломерных судов, например парусной яхты, катера. При ометаемой площади 200 м2 мощность КВО ВЭУ может достигнуть 90 кВт. Этой мощности достаточно для энергоснабжения более крупного судна или бытовых помещений нефтедобывающей платформы. 3. Разработана лабораторная экспериментально-демонстрационная КВО ВЭУ с ветроколесом Дарье диаметром 0,50 м с лопастями крылового профиля и вертикальными полуцилиндрическими лопастями Савониуса диаметром 0,025 м. Предварительные эксперименты показали возможность ее самостоятельного запуска при скорости воздушного потока 1,5-2,0 м/с, быстрого набора скорости вращения комбинированного ротора и устойчивой работы при скорости ветра до 7,0 м/с. 4. КВО ВЭУ может быть использована для автономного электро- и теплоснабжения на различных объектах, в том числе на промысловых и транспортных судах, нефтедобывающих платформах, что существенно сократит потребление ТЭР. В перспективе эти ВЭУ могут быть использованы и для непосредственного привода гребных винтов различных судов.
