Аналіз аеродинаміки і енергетичної ефективності дозволив оцінити коефіцієнти потужності сучасних найбільш ефективних вертикально-осьових вітродвигунів. Сили опору при обтіканні траверс настільки великі, що можуть призвести до зниження коефіцієнта потужності з 0,56 до 0,28, т. Е. В 2 рази. При збільшенні кута установки лопатей від 0 до 4? коефіцієнт потужності збільшився з 0,40 до 0,61, т. е. в 1,5 рази. Оптимізація геометричних параметрів та вдосконалення утворюють лопатей може привести до збільшення потужності ротора Н-Дар'ї до значення 0,72, що перевищує максимально можливе значення для горизонтально-осьових вітродвигунів (0,45). Зі збільшенням відносної ширини полуціліндріческой лопаті від 0,1 до 0,5 і підвищенням кількості лопатей від 2 до 6 коефіцієнт потужності ротора Савоніуса збільшується з 0,018 до 0,226. Для зниження втрат енергії в роторі Савоніуса можна застосувати похилі утворюють і кінцеві елементи лопатей різної форми.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Шишкін Микола Дмитрович, Ільїн Роман Альбертович


ANALYSIS OF AERODYNAMIC PARAMETERS AND ENERGY EFFICIENCY OF VERTICAL AXIS WIND TURBINES

Analysis of aerodynamics and energy efficiency made it possible to estimate power factors of the most effective up-to-date vertical axis wind turbines. Resistance forces in the traverse flow are so great that they can result in reduction of a power factor from 0.56 to 0.28, i.e. in 2 times. With an increase of angle of the blades placing from 0? to 4 ?, the power factor increased from 0.40 to 0.61, i. e. in 1,5 times. Optimization of geometric parameters and improvement of generating lines of the blades can increase efficiency of Н-Darier rotor up to 0.72, which exceeds the maximum possible value for horizontal axis wind turbines (0.45). With increasing relative width of the semicylindrical blade from 0.1 to 0.5 and increasing the number of blades from 2 to 6, the power factor of Savonius rotor raises from 0.018 to 0.226. To reduce energy losses in Savonius rotor it is possible to use inclined generators and end elements of blades of various shapes.


Область наук:

  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології

  • Рік видавництва: 2018


    Журнал: Вісник Астраханського державного технічного університету


    Наукова стаття на тему 'Аналіз аеродинамічних параметрів та енергетичної ефективності вертикально-осьових вітродвигунів'

    Текст наукової роботи на тему «Аналіз аеродинамічних параметрів та енергетичної ефективності вертикально-осьових вітродвигунів»

    ?DOI: 10.24143 / 1812-9498-2018-1-76-84 УДК [621.548: 621.311.24]: [532: 536.24]

    Н. Д. Шишкін, Р. А. Ільїн

    АНАЛІЗ аеродинамічних параметрів

    І ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ВЕРТИКАЛЬНО-осьові вітродвигуни

    Аналіз аеродинаміки і енергетичної ефективності дозволив оцінити коефіцієнти потужності сучасних найбільш ефективних вертикально-осьових вітродвигунів. Сили опору при обтіканні траверс настільки великі, що можуть призвести до зниження коефіцієнта потужності з 0,56 до 0,28, т. Е. В 2 рази. При збільшенні кута установки лопатей від 0 до 4 ° коефіцієнт потужності збільшився з 0,40 до 0,61, т. Е. В 1,5 рази. Оптимізація геометричних параметрів та вдосконалення утворюють лопатей може привести до збільшення потужності ротора Н-Дар'ї до значення 0,72, що перевищує максимально можливе значення для горизонтально-осьових вітродвигунів (0,45). Зі збільшенням відносної ширини полуціліндріческой лопаті від 0,1 до 0,5 і підвищенням кількості лопатей від 2 до 6 коефіцієнт потужності ротора Савоніуса збільшується з 0,018 до 0,226. Для зниження втрат енергії в роторі Савоніуса можна застосувати похилі утворюють і кінцеві елементи лопатей різної форми.

    Ключові слова: вертикально-осьові вітроенергоустановки, ротори Дарині, ротори Савоніуса, комбіновані вітроенергоустановки, енергетична ефективність.

    Вступ

    В даний час в багатьох країнах світу все більш широке застосування знаходять децентралізовані системи енергопостачання з використанням відновлюваних джерел енергії, зокрема вітрової енергії [1-4]. Існує безліч конструкцій ветроенергоуста-новок (ВЕУ), енергетична ефективність яких змінюється в межах від 0,15 до 0,45. Починаючи з 1980-х рр. поряд з горизонтально-осьовими ВЕУ (ГО ВЕУ) стали досить широко застосовуватися і вертикально-осьові вітроенергоустановки (ВО ВЕУ). Перевагою всіх видів ВО ВЕУ є відсутність необхідності використовувати в їх конструкції напрямні механізми, т. К. Робота цих установок не залежить від напрямку вітру. Конструкції ВО ВЕУ наведені в роботі [4]. Вертикально-осьові ВЕУ мають 2 основні типи вітроколеса (ротора): швидкохідних, типу Н-Дар'ї, і тихохідних, типу Савоніуса [4-7]. Перевагою ВО ВЕУ з ротором Н-Дар'ї є їх швидкохідні, а недоліком - неможливість самозапуску. Поряд з цими групами ВО ВЕУ, які випускаються серійно, є комбіновані ВО ВЕУ, в яких поєднуються два описаних принципу дії [8, 9]. Однак для їх вдосконалення потрібно більш детальне дослідження аеродинаміки їх лопатей і енергетичних характеристик.

    Метою роботи є вдосконалення ВО ВЕУ на основі аналізу їх аеродинамічних параметрів та енергетичної ефективності. Основними завданнями є: аналіз аеродинамічних параметрів ВЕУ на основі ротора Н-Дар'ї, ротора Савоніуса, а також оцінка їх енергетичної ефективності.

    Аеродинамічні параметри ВЕУ на основі ротора Н-Дар'ї

    Як уже зазначалося, обертання роторів Н-Дар'ї, на думку багатьох дослідників, здійснюється головним чином за рахунок підйомної сили, що виникає в Крилова профілі лопаті [5-12]. Однак гіпотеза про те, що лише підйомна сила змушує обертати ротор, безумовно, справедлива для ГО ВЕУ, не зовсім правомірною для ВО ВЕУ, т. К. Підйомна сила виникає лише на частині кругової траєкторії Крилової лопаті, на якій лопать рухається назустріч вітру. Для розуміння взаємодії лопатей ротора Н-Дар'ї з повітряним потоком в роботах [13-15] висунута гіпотеза про аналогію між ротором Н-Дар'ї і махають крилом птахів. Лопаті обтекаются нестаціонарним потоком, який виникає при обертанні ротора, швидкість якого дорівнює V. В системі координат Z і т, жорстко пов'язаної з обертової лопатою, складові вектора vr відносної швидкості, м / с, рівні [13]

    v = V (sin е + Z); (1)

    і

    vrт = До cos 0. (2)

    У формулах (1) і (2) кут повороту лопаті ротора, рад,

    0 = ю t + 0 0,

    де ю - швидкість обертання ротора, рад. / с; t - час, с; 0о - кут повороту лопаті в початковий момент часу (при t = 0).

    У формулі (1) величина Z - коефіцієнт швидкохідності, що виражає співвідношення між окружною швидкістю лопаті і швидкістю вітру:

    ю Drr

    Z = -Д

    2V

    (3)

    де Dд - діаметр ротора Н-Дар'ї.

    Складова швидкості УГС ^ у формулі (1) визначає пульсацію швидкості уздовж хорди

    лопаті, змінюючись за час обороту ротора в межах V (Z - 1) < V < V (Z + 1). для Z < 1 швидкість обертання лопатей менше швидкості вітрового потоку і на частині траєкторії руху лопаті < 0. Складова швидкості УГТ визначає пульсації швидкості перпендикулярно

    хорді крила. Такі пульсації породжує махають крилами з хордою Ь, яка коливається за синусоїдальним законом, м / с:

    -ф) = А sm (ю г + 0о),

    D Д

    де А - амплітуда коливань, що визначається за формулою А = |

    Максимальну потужність ротор Дарині розвиває зазвичай, як зазначається в [15], при значенні Z = 2,5, а його геометричні параметри відповідають 0,2 < 2b / Dд < 0,3. звідси випливає,

    що відносна амплітуда 1 < А / Т < 2. З такими амплітудами коливаються крила у птахів.

    Ми вважаємо, що для скорочення аеродинамічного опору за рахунок зменшення втрат від великих вихорів, що утворюються на кінцях лопатей, можна використовувати кінцеві елементи лопатей різної геометрії, подібні крил птахів, наприклад зиґзаґоподібної форми.

    Аеродинамічні параметри ВЕУ на основі ротора Савоніуса

    Визначимо тепер основні аеродинамічні параметри ВО ВЕУ на основі ротора Савоніуса. Проведені в лабораторії нетрадиційної енергетики Саратовського наукового центру РАН при АГТУ за допомогою замкнутої аеродинамічної труби експерименти показали [2], що коефіцієнт опору полуціліндріческой лопаті З залежить від кута повороту щодо повітряного потоку ф (рис. 1).

    Про 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

    Ф, град

    Мал. 1. Залежність коефіцієнта опору полуціліндріческой лопаті вітродвигуна

    від кута її повороту

    Коефіцієнт опору С має максимальне значення Стах = 1,76 при ф = 90 ° і мінімальне значення стт = 0,42 при ф = 270 °. Отримані значення коефіцієнта лобового опору можуть бути використані при визначенні крутного моменту, потужності і коефіцієнта потужності.

    Оцінка енергетичної ефективності використання ротора Н-Дар'ї

    Енергетична ефективність будь-якого вітродвигуна визначається відповідно до [5, 6, 9, 13] коефіцієнтом потужності (енергетичним ККД або коефіцієнтом використання енергії вітру):

    С. = 2

    РГ V

    де .вд - потужність вітродвигуна, використовувана в ВЕУ, Вт; р - щільність повітря, кг / м3; V - швидкість вітру, м / с; V - площа, ометаєма ветроколесом, м2.

    Коефіцієнт потужності Ср залежить від коефіцієнта швидкохідності Z, що визначається за формулою (3). Параметри Ср, і Z є основними експлуатаційними параметрами, визначальними досконалість конструкції і ефективність роботи вітродвигуна. Коефіцієнт потужності Ср має чітко виражений максимум при певних значеннях ^ Це

    максимальне значення істотно нижче теоретичної межі Сртах = 16/27 = 0,59 [4, 9]

    і коливається в межах від 0,15 до 0,50.

    Слід, однак, відзначити, що ряд авторів і, зокрема, Горєлов Д. Н. в роботах [13-15] відзначають, що лопаті Дарині обтекаются пульсуючим нестаціонарним потоком, який виникає при обертанні ротора. В результаті досліджень ідеального ротора Н-Дар'ї, що має тільки лопаті і не має траверс, що створюють додатковий опір і вихрові потоки, які перешкоджають роботі лопатей, було отримано значення Ср = 0,72. Це вище раніше отриманих іншими авторами значень Ср = 0,30 ^ 0,40 для ротора Н-Дар'ї [5, 9, 12] за величиною, дуже близькою до показника швидкохідних малолопастних роторів (пропелерів) з горизонтальною віссю обертання Ср = 0,45 [9], і навіть вище граничного значення Ср = 0,59 для ідеального пропелера ГО ВЕУ, отриманого для стаціонарного потоку.

    Максимуми коефіцієнтівпотужності сучасних, найбільш досконалих, роторів Н-Дар'ї знаходяться в діапазоні Ср = 0,40 ^ 0,47 [13-15]. На ефективність роботи ротора Н-Дар'ї роблять сильний вплив такі елементи конструкції, як траверси для кріплення лопатей до валу ротора. У повітряному потоці на траверси діють сили опору, які знижують крутний аеродинамічний момент, створюваний лопатями. Така оцінка була зроблена в роботі [13] при випробуваннях моделі 6-лопатевого двох'ярусного ротора Н-Дар'ї. Зовнішні кінці лопатей були з'єднані кільцевим бандажем, який вносив малі обурення в потік. Тому основні втрати пов'язані з обтіканням траверс, розташованих в середньому перетині ротора між його ярусами. Сили опору при обтіканні траверс виявилися настільки великі, що призвели до двократного зниження максимального значення корисної потужності і, відповідно, коефіцієнта потужності Ср, який знизився з 0,56 до 0,28, т. Е. В 2 рази. Таким чином, при розумному виборі конструкцій траверс і системи кріплення лопатей можна домогтися істотного зниження втрат енергії обертового ротора Н-Дар'ї, збільшуючи тим самим коефіцієнт потужності Ср, т. Е. Його енергетичну ефективність.

    Дуже важливою виявляється і роль кута установки лопатей. Так, наприклад, експерименти, описані в роботі [15], показали, що при збільшенні кута установки лопатей а від 0 до 4 ° коефіцієнт потужності збільшився з 0,40 до 0,61, т. Е. В 1,5 рази. Таким чином, при оптимальному куті установки лопатей а в 4 ° можна також домогтися істотного зниження втрат енергії обертового ротора Н-Дар'ї, збільшуючи тим самим коефіцієнт потужності Ср, т. Е. Його енергетичну ефективність.

    Крім коефіцієнта швидкохідності Z на коефіцієнт потужності Ср дуже впливає коефіцієнт заповнення профілю о, залежить від довжини хорди Ь Крилової профілю. Так, наприклад, в експериментальній установці [15] при значеннях Ь = 0,030; 0,045; 0,060 і 0,080 м,

    діаметрі ротора D = 0,65 м коефіцієнт заповнення становив а = 0,15; 0,225; 0,30 і 0,40 відповідно. Зменшення коефіцієнта заповнення а призводить до збільшення і зміщення максимуму за коефіцієнтом потужності Cр в сторону більш високих значень коефіцієнтів швидкохідності Z. Це можна пояснити тим, що збільшення коефіцієнта швидкохідності призводить до придушення формування і зриву динамічного потоку з лопатей Н-Дар'ї, тим самим зменшуючи втрати і збільшуючи енергетичну ефективність ВО ВЕУ на 5-18%. Таким чином, доцільно застосовувати ротори Н-Дар'ї з низьким коефіцієнтом а < 0,35.

    Оцінка енергетичної ефективності використання ротора Савоніуса

    Розглянемо аеродинамічні і енергетичні параметри ротора Савоніуса [2]. Його перевагою перед ротором Н-Дар'ї є можливість самозапуску навіть при малих швидкостях вітру і наявність досить великого пускового моменту. Ротор Савоніуса має невелике кількості лопатей (п = 2 ^ 6), рознесених на досить велику відстань R від осі обертання, і коефіцієнт затінення лопатями захоплюваної поверхні порядку 0,3-0,7 (рис. 2).

    Мал. 2. Розрахункова схема ротора Савоніуса (n = 3)

    Момент, що обертає, що виникає на кожній із лопатей за рахунок сил аеродинамічного опору, дорівнює

    Мг = 0,50 Сг р S V 2 Ll,

    де Sl - площа проекції лопаті, м2; Ll - плече сили тиску, м.

    Висловлюючи площа проекції і плече сили лопаті ротора Савоніуса через кут ф (рис. 2), отримаємо момент М на кожній з лопатей

    M = 0,125 р V2 d H (D - d) C (sin ф + sin2 ф)

    і відносний обертовий момент, Нм,

    М * = M / Mтах = 0,50 C (sin ф + sin2 ф) / Cтах,

    де d - діаметр лопаті; H, D - висота і діаметр ротора; ф - кут між напрямком повітряного потоку і площиною, що проходить через кромки лопаті.

    Результати розрахунку відносного обертального моменту однієї лопаті вітродвигуна М * в залежності від кута повороту ф наведені на рис. 3.

    м *

    1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

    0,2 0,4 0,6

    '/ Ч

    / \

    ! \ {

    1 \

    / \ \

    / \

    \ /

    Ч s ч /

    Ф, град

    Про 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

    Мал. 3. Залежність відносного обертального моменту М * полуціліндріческой лопаті вітродвигуна від кута повороту ф

    Залежність М * = f (ф) приймає максимальне значення М * тах = 1,00 при ф = 90 °, нульові значення при ф = 0 і ф = 180 ° і негативні значення при 180 ° < ф < 360 °.

    Величина відносного обертального моменту вітродвигуна з п лопатями в залежності від кута повороту ф може бути визначена як сума

    1-П

    МРС = Е С [§1П (Ф + Ф Oi) + sin 2 (Ф + Ф oi)] / Cm

    (4)

    i = 1

    де ф 01 - фазовий кут, що враховує кут між лопатями ф 01 = 2п / п.

    Залежність МРС = Хф), визначена за формулою (4), наведена на рис. 4.

    М * ВД 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

    * Про 1 ir-f

    v:% V «і / і \ | \ Ф J \ 1

    • V \ / / К \ \ \ 1 Л / \

    1 ч f Л i # 1 \ 1 If 1 1 \

    \ \ < г V / V 1 V у

    \ \ А V 7 V / \

    )< V? j / \ \ 1 / N ХГ

    n = 6

    n = 4 n = 3

    n = 2

    /

    Ф, град

    0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360

    Мал. 4. Залежність відносного обертального моменту М * від кута повороту ф і кількості лопатей n

    Ця залежність має квазісінусоідальние характер c збільшуються максимальними значеннями М * вд max і зменшуються періодами зі збільшенням кількості лопатей n. Середнє значення відносного обертального моменту вітродвигуна за повний оборот валу може бути визначено шляхом інтегрування

    • 1 2Г

    М РСС = - I М * ВД (Ф) d Ф. 2п •

    (5)

    З достатньою для практичних розрахунків точністю інтегрування за формулою (5) може бути замінено чисельним інтеграцією з кроком ЛФ = 10 ° = п / 18. Чисельним інтеграцією отримані середні значення відносного обертального моменту вітродвигуна

    з 2-6 лопатями, рівні МРСС = 0,42; 0,57; 0,76 і 1,13. На основі цих співвідношень був визначений середній крутний момент ротора Савоніуса за формулою

    м С = Стах Мр'сс р? 2 dHD,

    потужність ротора Савоніуса за формулою

    Рс = 0,125СтахМ * вдср р? 2Ш (В - d) і коефіцієнт потужності за формулою

    -рс

    ^ Та ^ З з

    (6)

    де Ь = d / В - відносна ширина полуціліндріческой лопаті. Результати розрахунку за формулою (6) наведені в таблиці.

    Результати розрахунку коефіцієнта потужності срс ротора Савоніуса

    п М'с Ь *

    0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

    2 0,42 0,018 0,035 0,054 0,071 0,090

    3 0,57 0,023 0,046 0,069 0,091 0,115

    4 0,76 0,030 0,061 0,091 0,122 0,153

    6 1,13 0,045 0,090 0,135 0,181 0,226

    Як видно з табл., З ростом відносної ширини полуціліндріческой лопаті Ь від 0,1 до 0,5 і підвищенням кількості лопатей від 2 до 6 коефіцієнт потужності срс ротора Савоніуса збільшується від 0,018 до 0,226. Таким чином, доцільно збільшувати кількість лопатей п і їх відносну ширину Ь. Отримані значення приблизно відповідають значенням срс, наведеними авторами [9, 12, 16] (срс = 0,15 ^ 0,20). Слід, однак, відзначити, що наведений аналіз не враховує взаємний вплив лопатей при їх взамодей-но до потоком повітря і вплив великих вихорів, що утворюються і зриваються з задньої утворює полуціліндріческой лопаті, на коефіцієнт потужності срс. Тому потрібно більш детальне аналітичне дослідження аеродинаміки ротора Савоніуса і експериментальне визначення коефіцієнта потужності СРС, яке передбачається виконати авторами в лабораторних і натурних умовах. Для зниження втрат енергії за рахунок зменшення втрат енергії в потужних вихрових течіях всередині ротора Савоніуса передбачається провести дослідження різних лопатей на основі напівциліндричних лопатей з похилими утворюють і кінцевих елементів лопатей різної геометрії, наприклад зиґзаґоподібної форми.

    Оцінка енергетичної ефективності використання комбінованого ротора Н-Дар'ї - Савоніуса

    На основі принципу суперпозиції при однаковій висоті лопатей роторів Н-Дар'ї і Савоніуса (вміщеного всередині ротора Н-Дар'ї) коефіцієнт потужності Срд_с комбінованого ротора Н-Дар'ї - Савоніуса (КРДС) може бути визначено за пропонованою авторами формулою:

    З РД-з = С п

    ,[Срд (1 - + СРС

    В

    Д

    В

    (7)

    Д

    де Сп.в.в - коефіцієнт, що враховує втрати енергії за рахунок взаємного впливу роторів один на одного; Срд, срс - коефіцієнти потужності роторів Н-Дар'ї і Савоніуса; Вд, ВС - діаметри роторів Н-Дар'ї і Савоніуса.

    Коефіцієнт Сп.в.в, по попередньому оцінками, можна прийняти рівним 0,90. Розрахунки за формулою (7) при оптимальному співвідношенні діаметрів роторів Савоніуса і Дарії, рівному 0,20, дозволили отримати значення енергетичного ККД КРДС, рівне 0,32, що лише ненабагато нижче значення ККД для ротора Дарині, рівного 0,40 [6, 9 ].

    Комбінований ротор Н-Дар'ї - Савоніуса може бути скомпонований з електрогенератором, а також з механічним теплогенератором і використаний в системах електро- і теп-

    лоснабженія різних об'єктів. Комбінований ротор Н-Дар'ї - Савоніуса може бути агрегований з насосами різних конструкцій і використаний для підйому різних рідин з поверхневих і підземних джерел, в тому числі для видобутку нафти з свердловин. Ці насоси при рівних інших умовах зможуть мати за рахунок більш високого ККД подачу в 1,5-2,0 рази більше, ніж у традиційних тихохідних вбагатолопатеву ВО ВЕУ.

    висновки

    1. Максимуми коефіцієнтівпотужності роторів Н-Дар'ї лежать в діапазоні Ср = 0,40 ^ 0,47. Сили опору при обтіканні траверс настільки великі, що можуть призвести до зниження Ср з 0,56 до 0,28, т. Е. В 2 рази. При збільшенні кута установки лопатей а від 0 до 4 ° коефіцієнт потужності Ср збільшився з 0,40 до 0,61, т. Е. В 1,5 рази. Оптимізація геометричних параметрів та вдосконалення утворюють лопатей може привести до збільшення ротора Н-Дар'ї до значення 0,72, що перевищує максимально можливе значення для ГО ВЕУ, рівне 0,45.

    2. З ростом відносної ширини полуціліндріческой лопаті Ь від 0,1 до 0,5 і підвищенням кількості лопатей від 2 до 6 коефіцієнт потужності срс ротора Савоніуса збільшується від 0,018 до 0,226. Тому доцільно збільшувати кількість лопатей п і їх

    *

    відносну ширину Ь. Для зниження втрат енергії в потужних вихрових течіях всередині ротора Савоніуса можна застосувати похилі утворюють і кінцеві елементи лопатей різної форми.

    3. Значення коефіцієнта потужності КРДС 0,32, лише ненабагато нижче значення ККД для ротора Н-Дар'ї, рівного 0,40. Комбіновані ротори Н-Дар'ї - Савоніуса можуть бути скомпоновані з електрогенераторами, механічним теплогенераторами різних конструкцій. Вертикально-осьові ВЕУ на їх основі можуть бути використані в системах електро- та теплопостачання різних об'єктів. Комбінований ротор Н-Дар'ї - Савоніуса може бути агрегований з насосами і використаний для підйому різних рідин, в тому числі для видобутку нафти з свердловин.

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Сьомкін Б. В., Сталева М. І., Світ П. П. Використання відновлюваних джерел енергії в малій енергетиці // Теплоенергетика. 1996. № 2. С. 6-7.

    2. Шишкін Н. Д. Ефективне використання поновлюваних джерел енергії для автономного теплопостачання різних об'єктів: моногр. Астрахань: Вид-во АГТУ, 2012. 208 с.

    3. Чівенков А. І., Лоскутов О. Б., Михайличенко Є. А. Аналіз застосування і розвитку ветроустано-вок // Промислова енергетика. 2012. № 5. С. 57-63.

    4. Шишкін Н. Д., Ільїн Р. А. Аналіз напрямків підвищення конкурентоспроможності конструкцій енергоефективних ВЕУ різних типів // Укр. Астрахан. держ. техн. ун-ту. 2017. № 2 (64). С. 42-50.

    5. Ляхтер В. М., Шполянський Ю. Б. Аеродинаміка ортогональних вітроагрегатів // Зб. науч. тр. Гідропроекту. 1988. Вип. 129. Вітроенергетичні станції. С. 113-127.

    6. Соломін Е. В. Методологія розробки і створення вертикально-осьових вітроенергетичних установок: моногр. Челябінськ: Вид-во ЮУрГУ, 2011. 324 с.

    7. Баклушін П. Г., Вашкевич К. П., Самсонов В. В. Експериментальне дослідження аеродинамічних характеристик ортогональних крильчатих ветроколес // Зб. науч. тр. Гідропроекту. 1988. Вип. 129.С. 98-105.

    8. Ершіна А. К., Ершін Ш. А., Жалбасбаев У. К. Основи теорії вітротурбіни Дарині. Алмати Каз-госІНТІ, 2001. 148 с.

    9. Абрамовський Е. Р., Городько С. В., Свиридов Н. В. Аеродинаміка вітродвигунів: навч. посіб. Дніпропетровськ: Вид-во ДДУ, 1987. 220 с.

    10. Білоцерківський О. М. Чисельне моделювання в механіці суцільних середовищ. 2-е изд. перераб. і доп. М .: Физматлит, 1994. 448 с.

    11. Білоцерківський С. М., Скрипаль Б. К., Табачників В. Г. Крило в нестаціонарному потоці газу. М .: Наука, 1971. 352 с.

    12. Волков Н. І. Аеродинаміка ортогональних вітродвигунів: навч. посіб. Суми: ВВП "Мрія-1» ЛТД, 1996. 198 с.

    13. Горєлов Д. Н. Енергетичні характеристики ротора Дарині (огляд) // Теплофизика і механіка. 2010. Т. 17. № 3. С. 325-333.

    14. Горєлов Д. Н. Проблеми аеродинаміки вітроколеса Дарині // Теплофизика і механіка. 2003. Т. 10. № 1. С. 47-51.

    15. Горєлов Д. Н. Аеродинаміка ветроколес з вертикальною віссю обертання: моногр. Омськ: Поліграф. центр КАН, 2012. 68 с.

    16. Моді Ф. Характеристики вітродвигуна Савоніуса // Сучасне машинобудування: серія А. 1988. № 10. С. 139-148.

    Шишкін Микола Дмитрович - Росія, 414056, Астрахань; Астраханський державний технічний університет; д-р техн. наук, професор; зав. лабораторією нетрадиційної енергетики Саратовського наукового центру РАН при АГТУ; Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Ільїн Роман Альбертович - Росія, 414056, Астрахань; Астраханський державний технічний університет; канд. техн. наук, доцент; старший науковий співробітник лабораторії нетрадиційної енергетики Саратовського наукового центру РАН при АГТУ; Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    N. D. Shishkin, R. A. Ilyin

    ANALYSIS OF AERODYNAMIC PARAMETERS AND ENERGY EFFICIENCY OF VERTICAL AXIS WIND TURBINES

    Abstract. Analysis of aerodynamics and energy efficiency made it possible to estimate power factors of the most effective up-to-date vertical axis wind turbines. Resistance forces in the traverse flow are so great that they can result in reduction of a power factor from 0.56 to 0.28, i.e. in 2 times. With an increase of angle of the blades placing from 0 ° to 4 °, the power factor increased from 0.40 to 0.61, i. e. in 1,5 times. Optimization of geometric parameters and improvement of generating lines of the blades can increase efficiency of H-Darier rotor up to 0.72, which exceeds the maximum possible value for horizontal axis wind turbines (0.45). With increasing relative width of the semicylin-drical blade from 0.1 to 0.5 and increasing the number of blades from 2 to 6, the power factor of Savonius rotor raises from 0.018 to 0.226. To reduce energy losses in Savonius rotor it is possible to use inclined generators and end elements of blades of various shapes.

    Key words: vertical axis wind turbines, Darrieus rotor, Savonius rotor, combined wind turbines, energy efficiency.

    1. Semkin B. V., Stal'naia M. I., Svit P. P. Ispol'zovanie vozobnovliaemykh istochnikov energii v maloi en-ergetike [Using renewable energy sources in low power engineering]. Teploenergetika, 1996, no. 2, pp. 6-7.

    2. Shishkin ND Effektivnoe ispol'zovanie vozobnovliaemykh istochnikov energii dlia avtonomnogo teplos-nabzheniia razlichnykh ob "ektov: monografiia [Efficient use of renewable energy sources in independent power supply of different projects: monograph]. Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2012. 208 p.

    3. Chivenkov A. I., Loskutov A. B., Mikhailichenko E. A. Analiz primeneniia i razvitiia vetroustanovok [Analysis of use and working up of wind turbines]. Promyshlennaia energetika 2012, no. 5, pp. 57-63.

    4. Shishkin N. D., Il'in R. A. Analiz napravlenii povysheniia konkurentosposobnosti konstruktsii ener-goeffektivnykh VEU razlichnykh tipov [Analysis of means of raising the competitive power of energy efficient wind turbines of different types]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta 2017, no. 2 (64), pp. 42-50.

    5. Liakhter V. M., Shpolianskii Iu. B. Aerodinamika ortogonal'nykh vetroagregatov [Aerodynamics of orthogonal wind power units]. Sbornik nauchnykh trudov Gidroproekta, 1988, iss. 129: Vetroenergeticheskie stantsii, pp. 113-127.

    Стаття надійшла до редакції 12.04.2018

    ІНФОРМАЦІЯ ПРО АВТОРІВ

    REFERENCES

    6. Solomin E. V. Metodologiia razrabotki i sozdaniia vertikal'no-osevykh vetroenergeticheskikh ustanovok: monografiia [Methodology of working out and building vertical axis wind power units: monograph]. Chelyabinsk, Izd-vo IuUrGU, 2011. 324 p.

    7. Baklushin P. G., Vashkevich K. P., Samsonov V. V. Eksperimental'noe issledovanie aerodinamicheskikh kharakteristik ortogonal'nykh kryl'chatykh vetrokoles [Experimental study of aerodynamic characteristics of orthogonal propeller-type wind wheels]. Sbornik nauchnykh trudov Gidroproekta, 1988, iss. 129, pp. 98-105.

    8. Ershina A. K., Ershin Sh. A., Zhalbasbaev U. K. Osnovy teorii vetroturbiny Dar'e [Principles of theory of Darrieus wind turbine]. Almaty, KazgosINTI, 2001. 148 p.

    9. Abramovskii E. R., Gorod'ko S. V., Sviridov N. V. Aerodinamika vetrodvigatelei: uchebnoe posobie [Aerodynamics of wind turbines: teaching aid]. Dnepropetrovsk, Izd-vo DGU, 1987. 220 p.

    10. Belotserkovskii O. M. Chislennoe modelirovanie v mekhanike sploshnykh sred [Numeric modelling in continuum mechanics]. Moscow, Fizmatlit, 1994. 448 p.

    11. Belotserkovskii S. M., Skripach B. K., Tabachnikov V. G. Krylo v nestatsionarnom potoke gaza [Vane in non-stationary gas flow]. Moscow, Nauka Publ., 1971. 352 p.

    12. Volkov N. I. Aerodinamika ortogonal'nykh vetrodvigatelei: uchebnoe posobie [Aerodynamics of orthogonal wind turbines: teaching aid]. Sumy, VVP «Mriia-1» LTD, 1996. 198 p.

    13. Gorelov D. N. Energeticheskie kharakteristiki rotora Dar'e (obzor) [Power characteristics of Darrieus rotor (review)]. Teplofizika i aeromekhanika 2010, vol. 17, no. 3, pp. 325-333.

    14. Gorelov D. N. Problemy aerodinamiki vetrokolesa Dar'e [Aerodynamic problems of Darrieus wind wheel]. Teplofizika i aeromekhanika, 2003 vol. 10, no. 1, pp. 47-51.

    15. Gorelov D. N. Aerodinamika vetrokoles s vertikal'noi os'iu vrashcheniia: monografiia [Aerodynamics of wind wheels with vertical axis of rotation]. Omsk, Poligraf. tsentr KAN, 2012. 68 p.

    16. Modi F. Kharakteristiki vetrodvigatelia Savoniusa [Savonius wind turbine characteristics]. Sovremennoe mashinostroenie: seriia A, 1988, no. 10, pp. 139-148.

    The article submitted to the editors 12.04.2018

    INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

    Shishkin Nikolay Dmitrievich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Science, Professor; Head of the Laboratory of Alternative Energy of Saratov Science Centre of RAS under ASTU; Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її..

    Ilyin Roman Alybertovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor; Senior Researcher of Laboratory of Alternative Energy of Saratov Science Centre of RAS under ASTU; kaften.astu@m ail .ru.


    Ключові слова: ВЕРТИКАЛЬНО-ОСЬОВІ вітроенергоустановки /турбіна дар'є /ротор Савоніуса /КОМБІНОВАНІ вітроенергоустановки /ЕНЕРГЕТИЧНА ЕФЕКТИВНІСТЬ /VERTICAL AXIS WIND TURBINES /DARRIEUS ROTOR /SAVONIUS ROTOR /COMBINED WIND TURBINES /ENERGY EFFICIENCY

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити