Лопасти из ПВХ труб – расчет лопастей ветрогенератора
В мире самодельных горизонтальных винтов ПВХ трубы обрели большую популярность так-как доступны и есть в любом строительном магазине, прочные, и с ними легко работать. Можно сказать что практически все самодельные и не только ветрогенераторы с диаметром винта менее 2 м сделаны именно из ПВХ труб различного диаметра, ну а самый доступный диаметр это конечно 160-я труба, которая отлично подходит для винтов диаметром до 1,8м.
Расчеты самодельных лопастей из канализационных труб, ниже на фото показано как правильно обрабатывать кромки лопастей.
>
Ниже даны таблицы по которым можно рассчитать винт под свой генератор.
Метод расчета лопастей, фото и таблица взяты с замечательного форума
windpower-russia
Последняя версия таблицы расчетов лопастей из ПВХ трубы.
Скачать – Расчет параметров ветроколеса.Все рассчитанные лопасти ниже на скриншотах имеют свой идентификатор в виде 3D1500Z5T160
где первая цифра отображает количество лопастей винта,
вторая – диаметр винта в мм,
третья – быстроходность винта ,
четвертая – диаметр трубы в мм,
D – диаметр винта
Z – быстроходность
T – диаметр трубы
Данная подборка винтов сделана для более быстрого поиска и выбора подходящего винта под свой ветрогенератор
Лопасть 2D1000Z7T110. >
Такой винт хорошо подойдет например для маломощных генераторов аксиального типа, которые собираются на маленьких магнитах типа 20*5мм, и их мощность не превышает 50 ватт. Для работы таких генераторов требуются высокие обороты, что как раз обеспечит такой винт.
Лопасть 2D1200Z8T110.
>
Немного увеличенный винт, так-же подойдет для маломощных генераторов, которым требуются большие обороты. Минус правда такой быстроходности это небольшой стартовый момент, поэтому генераторы с ощутимым залипанием не подойдут к этому винту, такие как шаговые крупные моторчики и прочее. Для аксиальных ветрогенераторов этот винт хорошо подойдет.
Лопасть 3D1200Z5T110.
>
Трех-лопастной винт имеет более низкие обороты, но более высокий стартовый момент страгивания. Этот винт подходит для высокооборотистых генераторов мощностью до 100ватт. К этому винту хорошо подойдут шаговые моторчики, аксиальные генераторы небольшой мощности, низковольтные двигатели малой мощности, авто-генераторы на слабых магнитах или перемотанные слишком толстым проводом, для зарядки с 200-300об/м.
Лопасть 3D1200Z5.5T16.
>
Быстроходный винт с увеличенной разгонной зоной для быстрого набора оборотов и момента страгивания. Высокооборотистый винт специально для генераторов, которым для начала зарядки требуются высокие обороты. Хрошо подойдет для маломощных аксиальных генераторов, автогенераторов, и других высокооборотистых генераторов не большой мощности до 100 ватт на 12 вольт и 170ватт на 24 вольт систему.
>
>
Оптимальный винт для генератора мощностью до 150 ватт на 12 вольт систему и до 300 ватт на 24 вольта. Винт сопровождается графиком зависимости мощности от оборотов и скорости ветра. Я на своем ветрогенераторе испольную именно этот винт, он быстроходный и имеет хороший стартовый момент.
Лопасть 3D1500Z6.5T160.
>
Этот винт рассчитан на очень высокую быстроходность, чем предыдущие трех-лопастные винты. Хорошо подходит без мультипликатора к низковольтовым двигателям постоянного тока небольшой мощности, ну и конечно для аксиальных генераторов, которые для начала зарядки требуют больших оборотов.
Лопасть 6D1500Z3.5T160.
>
Шести-лопастной винт с уменьшенной разгонной зоной, зато все шесть лопастей помешаются на трубе.
Лопасть 3D1700Z4T200.
>
Винт из 200-й трубы, стартовый момент 0,226Нм при скорости ветра 4,4м/с КИЭВ 0,39 на 5м/с.
Лопасть 5D1700Z4T160.
>
стартовый момент 0,210Нм при скорости ветра 4,0м/с КИЭВ 0,41 на 5м/с
Лопасть 6D1700Z3T160.
>
стартовый момент 0,225Нм при скорости ветра 3,1м/с КИЭВ 0,39 на 5м/с
>
>
Лопасть 3D2000Z5T200.
>
Лопасть 3D2300Z5T250.
>
Лопасть 3D3000Z5T315.
>
Лопасть 3D3200Z5T400.
>
Лопасти для ветрогенератора из ПВХ трубы
Ветрогенератор (ВЭУ) – приспособление, с помощью которого можно преобразовать кинетическую энергию ветра в электричество. Подобное устройство используют в качестве альтернативного источника электроэнергии. В статье мы разберемся с конструктивными особенностями ВЭУ, а также технологией сборки лопастей ветряка из ПВХ трубы.
Что представляет собой ветрогенератор?
Ветрогенератор представляет собой турбину с закрепленным на ней ветряным колесом и флюгером. Конструкция крепится на крышах домов при помощи специальной мачты или металлического штатива. Достаточно простое устройство позволяет трансформировать естественную энергию ветра в электричество.
Чтобы сделать свою мини электростанцию с неплохим показателем КПД, нужно правильно рассчитать мощность ВЭУ. Данный параметр во многом определяется размером лопастей, от которых зависит сопротивляемость конструкции воздушным массам и, как следствие, количество вырабатываемой электроэнергии.
Как определить мощность ВЭУ?
Мощность ветряка напрямую зависит от количества лопастей в устройстве, их размеров и диаметра ветряного колеса. Данная зависимость продемонстрирована в таблице ниже, благодаря которой можно определить линейные параметры составляющих ветряка и производимой ими потребной мощности.
Оптимальным вариантом конструкции для самостоятельной сборки лопастей из ПВХ трубы станет ветряк парусного типа. Однако следует учесть, что при вращении лопастей и самого ветряного колеса не будут задействованы законы аэродинамики. Иными словами, импульсом для вращения мобильных частей устройства станет только давление воздушных масс. КПД парусного ВЭУ составит только 10-12% от ветровой энергии, которая воздействовала на конструкцию.
Более удачным вариантом ветряка с большим коэффициентом полезного действия станет ВЭУ крыльчатого типа. Лопасти устройства имеют неодинаковую площадь, за счет этого создается разница давления воздушных масс, действующих на крылья с обеих сторон. Таким образом, при вращении мобильных частей ветряка удается задействовать аэродинамическую силу. Благодаря этому КПД ветрогенератора возрастает на 30-40%.
Технологические особенности сборки ВЭУ
Из чего сделать лопасти для ветряка? Для изготовления лопастей проще всего использовать пластиковые трубы. Они достаточно просты в обработке и способны выдерживать немалые динамические нагрузки. Но для того, чтобы ветряк в процессе эксплуатации не разлетелся на куски, желательно учесть несколько важных нюансов:
- Толщину трубы. В процессе вращения несущие детали устройства испытывают большую нагрузку из-за влияния центробежной силы. Чтобы ее уменьшить желательно взять в качестве материала канализационную или газопроводную трубу с большей толщиной стенки – не менее 4 мм;
- Длину лопастей. Чем длиннее лопасть, тем большую нагрузку она испытывает. Чтобы продлить срок службы конструкции, не делайте крылья слишком длинными. Наиболее приемлемым вариантом станет крыло с длиной от 30 до 50 см;
- Количество лопастей. От количества крыльев напрямую зависит сопротивляемость ветряка воздушным массам. Чтобы увеличить его КПД, число крыльев стоит увеличить. Оптимальным вариантом станет ВЭУ с 5 или 6 крыльями.
Разметка ПВХ трубы
В качестве примера рассмотрим процесс маркировки крыльев для ВЭУ из трубы с диаметром в 10 см и толщиной стенки – 5 мм.
Генератор вертикального типаКак разметить заготовку?
1. Чтобы правильно разметить цилиндрическую поверхность, оберните трубу листом бумаги;
2. Кромка листа станет ориентиром для формирования оси на трубе;
3. Ширина листа укажет на длину окружности;
4. Теперь сложите листок пополам, чтобы отметить половину от окружности заготовки;
5. Сложите листок четыре раза, чтобы отметить на цилиндре 4 линии для предполагаемых разрезов.
Порезка ПВХ трубы
Как разрезать ПВХ трубу? Для того, чтобы порезать заготовку лучше всего использовать электролобзик с пилкой по металлу. Порезка трубы на составные части делается следующим образом:
1. Сначала размеченную заготовку разрезают на две равные части;
2. Теперь половинки трубы также нужно разрезать пополам;
3. У основания каждой из лопастей делают прямоугольные надрезы длиной не более 5-6 см;
4. Чтобы не разрушить структурную целостность материала, в углах крыльев нужно просверлить небольшие отверстия;
5. После этого заготовленные части следует разрезать по диагонали;
6. Таким образом, у вас получатся лопасти конусного типа.
Особенности сборки деталей
На завершающем этапе конструирования ветрогенератора нужно соединить крылья с ветряным колесом и турбиной.
Как это сделать?
- Необходимо изготовить соединительный узел. Деталь представляет собой стальной диск с шестью металлическими лентами;
- Форма узла определяется конфигурацией самого генератора, выполняющий роль преобразователя кинетической энергии ветра в электрическую;
- Чтобы лопасти ветрогенератора не сломались и не деформировались под давлением воздушных масс, толщина стальных лент и диска должна варьироваться в пределах от 2 до 6 мм.
Балансировка колеса
После сборки ветряка необходимо осуществить балансировку ветряного колеса. Чтобы результаты были максимально достоверными, юстировать устройство стоит в закрытом помещении.
Как совершают балансировку?
1. Ветряное колесо подвешивается таким образом, чтобы его вращению ничего не препятствовало;
2. В процессе балансировки нужно следить за тем, чтобы плоскость соединительного диска была вертикальна по отношению к подвесу;
3. Теперь следует повернуть колесо на угол, который равен 360/N, где N – количество лопастей в конструкции;
4. Процедуру повторяем до полного поворота диска вокруг собственной оси;
5. Если после остановки диск приходит в движение, значит, лопасти, стремящиеся вниз, тяжелее остальных.
Выводы
Конструирование лопастей для бытового ветрогенератора – непростое, однако посильное для народных умельцев занятие. С соблюдением технологических нюансов, которые были приведены в статье, вам непременно удастся собрать ветряк с хорошим КПД.
Удивительные ветрогенераторы – Энергетика и промышленность России – № 21 (353) ноябрь 2018 года – WWW.EPRUSSIA.RU
Газета “Энергетика и промышленность России” | № 21 (353) ноябрь 2018 года
Объединяет их лишь одно: рабочей силой является движение воздушных масс. О некоторых оригинальных агрегатах мы и хотим рассказать в этом материале.Ветрогенераторы становятся все более популярными. Их используют не только как дополнительный источник электричества, но зачастую и как основной, например, при обустройстве загородного дома. Тому способствует удобство эксплуатации и вполне хороший эстетичный вид ветряков. К тому же это вполне экологичные конструкции, не требующие затрат на природные ресурсы: ветер бесплатен. К тому же нынче промышленность выпускает контроллеры энергии, обеспечивающие работу даже при слабом ветре, собирающие энергию «порциями», и конструкции с автоматически изменяющимся углом атаки лопастей в зависимости от направления и силы ветра.
В настоящее время различают три основных типа конструкции ВЭС: пропеллерные, где вращающийся вал расположен горизонтально относительно направления ветра и с самым высоким КПД, барабанные и карусельные, в которых вал, вращающий лопасти, расположен вертикально и которые монтируется в местах, где направление ветра не имеет большого значения (например, в горах).
Главная проблема – нерегулярность работы поставщика энергии, то есть самого ветра. Ветряные электростанции напрямую зависят от этого фактора, и работа узлов, получающих электроэнергию подобным способом, не может быть непрерывной. Положение усугубляется еще и тем, что сила ветра может служить как на пользу, так и во вред – нарастание силы ветра способно вывести установки из строя.
Достоинства ВЭС – простота конструкции, экономичность и возобновляемость источника энергии. Кроме того – доступность (ветер дует везде) и независимость источника энергии (например, от цен на топливо).
Недостатки – зависимость от ветра, шумность и необходимость использования больших площадей (в случае постройки крупных электростанций). Кроме того, стартовая стоимость и дальнейшее использование – вполне затратны (необходимы накопители энергии, которые имеют ограниченный срок эксплуатации).
Как и среди производителей, лидер по строительству ВЭС – Германия. Европа вообще переживает бум строительства ветроустановок, их число растет в скандинавских странах и Греции.
В Азии наибольший практический интерес испытывается со стороны Китая. Программа строительства предусматривает обязательный монтаж таких установок при возведении новых зданий.
Это касается, в первую очередь, так называемых «традиционных» ветряков. Но среди всего разнообразия установок есть и оригинальные, не вписывающиеся в обычные представления о них.
Дерево-ветрогенератор
Например, французская группа инженеров создала искусственное дерево, способное генерировать электричество с помощью ветра. Устройство производит энергию даже при небольшом движении воздуха.Идея пришла автору изобретения Жерому Мишо-Ларивьеру, когда он наблюдал шелест листьев в безветренную погоду. Устройство использует небольшие пластины в форме скрученных листьев, которые преобразуют ветряную энергию в электрическую. Причем независимо от направления движения воздуха. Дополнительное преимущество «дерева» заключается в его полностью бесшумной работе.
На создание 8‑метрового прототипа инженеры потратили три года. Энергогенерирующее «дерево» установлено в коммуне Плюмер-Боду на северо-западе Франции.
Новая установка, Wind Tree, эффективнее обычного ветрогенератора, поскольку вырабатывает энергию даже при скорости ветра всего 4 м / с.
Мишо-Ларивьер надеется, что «дерево» будет использовано для питания уличных фонарей или зарядных станций для электромобилей. В будущем он планирует усовершенствовать установку и подключить ее к энергоэффективным домам. Идеальное электрогенерирующее «дерево», по словам изобретателя, должно иметь листья из натуральных волокон, «корни» в виде геотермального генератора и «кору» с фотоэлементами.
Биоразлагаемые лопасти
Ахиллесова пята быстрорастущей индустрии ветроэнергетики – физические компоненты ветрогенераторов, которые изготавливаются из нефтяных смол и в конечном итоге оказываются на свалках.Чем больше ветрогенераторов, тем больше выбрасывается использованных лопастей. Чтобы положить конец этой расточительности, исследовательской группе UMass Lowell был выделен грант для решения этой проблемы путем создания биоразлагаемых лопастей.
Для конструирования новых ветрогенераторов они планируют использовать «полимеры на биологической основе», примером которых является растительное масло.
Кроме всего прочего, рассматривается возможность замены нефтяных смол устойчивыми. Ученые надеются найти новый материал, который обладает теми же свойствами, что и ныне используемый.
Одна из трудностей состоит в том, что необходимо проверить, могут ли эти экологичные лопасти выдерживать суровые погодные условия и при этом иметь конкурентоспособные цены.
Использование биоразлагаемых лопастей сделает индустрию еще более «зеленой» за счет сокращения отходов.
Крылья стрекозы
Несколько исследователей из Франции попробовали сделать ветряную турбину еще эффективней за счет изменения ее компонентов. Насекомые, а именно стрекозы, вдохновили их на создание гибких лопастей. Ветровая турбина на сегодняшний день работает только при оптимальных скоростях ветров, но новый био-дизайн может дать способ обойти этот факт.Теперь ученым предстоит найти оптимальный материал, который не был бы слишком гибким, но и не являлся жестким.
Воздушная ветроэнергетика
Воздушная ветроэнергетика (Airborne Wind Energy, сокращенно AWE) запускает в небеса летающие ветряные электростанции – дирижабли, «воздушные змеи», дроны и прочие летательные аппараты, оснащенные ветряными турбинами или приводящие в действие наземные генераторы с помощью своих «поводков».Летающие ветрогенераторы не требуют фундаментов и значительных транспортных издержек. При этом они работают с хорошим «коммерческим» ветром – на высотах в несколько сотен метров ветер стабильнее и сильнее. Поэтому коэффициент использования установленной мощности воздушных ветряных электростанций достигает 70 %.
Например, это шотландский ветроэнергетический проект Kite Power Systems, технологии которого обеспечивают выработку энергии с помощью «воздушных змеев», парящих на высоте до 450 м.
А ветроэнергетическая система Airborne Wind Energy System использует для добычи энергии следующую схему. Автономный самолет, привязанный к основанию, летает по восьмерке на высоте от 200 до 450 метров. Когда самолет движется, он тянет тросик, который приводит в действие генератор. Как только трос намотан до установленной длины (~750 м), самолет автоматически опускается на более низкую высоту. Затем он поднимается и повторяет процесс. Самолет взлетает с платформы, летает и приземляется автономно, используя набор сенсоров, которые обеспечивают информацию для безопасного выполнения задачи.
Ветрогенератор закрытого типа
Компания «Оптифлейм Солюшенз», реализующая в рамках «Сколково» проект по созданию нового поколения малых и средних ветрогенераторов закрытого типа, создала предсерийный образец ветроустановки для подготовки к промышленному производству.Традиционные ветрогенераторы открытого типа обладают высоким уровнем потенциальной опасности и поэтому располагаются преимущественно в нежилых зонах на удалении. Ветрогенераторы закрытого типа, оснащенные турбиной наподобие самолетной, можно размещать в любых местах, например на крышах жилых или коммерческих зданий.
Установочная мощность образца – 1 / 2 кВт. Он протестирован в аэродинамической трубе и в реальных условиях. В дальнейшем планируется создать и более мощные разработки.
Вместо обычного двух- или трехлопастного вентилятора здесь используется осевая турбина самолетного типа. Это повышает КПД и снижает стоимость изготовления, т. к. сами лопатки существенно меньше вентиляторных. Конструкция имеет внешний направляющий аппарат, который дополнительно повышает КПД и служит защитой от птиц, а также имеются внешний и внутренний обтекатели, служащие защитой в случае разрушения лопаток.
В итоге получен ветрогенератор с рекордно низкой стоимостью генерации кВт-часа, который принципиально возможно размещать в жилой зоне, в том числе – на крышах городских домов. Обычный ветряк там ставить невозможно, так как в пределах десяти диаметров от него должно быть свободное пространство.
По сравнению с обычными ветрогенераторами данная конструкция безопасна в рабочем состоянии для обслуживающего персонала и летающих животных. Также оно работает при более низком уровне шума и не является значительной угрозой для безопасности людей и строений в округе. При аварии обычного ветрогенератора массивные лопасти, двигающиеся с большой скоростью, как правило, разрушают всю конструкцию при повреждении одной из них.
Безредукторный ветроагрегат
В проекте безредукторного ветроагрегата энергия вырабатывается «кончиками» лопастей. Здесь отсутствует традиционный вал от пропеллера к генератору, а электричество снимается с обода пропеллера.Его ротор в форме ферромагнитного обода закреплен на крыльях ветроколеса. По конструкции он прост, легко изготавливается и монтируется. Но размещение постоянных магнитов на концах крыльчатки намного утяжеляет ее, что снижает общий КПД установки. Зато агрегат удобен в эксплуатации, потому что простая конструкция не требует излишнего внимания. Такие ветрогенераторы могут работать везде при любых климатических условиях.
«Водонапорная башня»
Самый фантастический проект представили американцы. С дальнего расстояния этот ветрогенератор похож, скорее, на водонапорную башню. Лишь поблизости можно увидеть медленное вращение лопастей.Такую гигантскую турбину собирается серийно выпускать компания в Аризоне под руководством инженера Мазура. По его расчетам, она одна должна поставлять столько электроэнергии, что ее хватит для мегаполиса в 750 тысяч домов. В 2007 году инженер поставил себе цель – многократно увеличить КПД ветрогенератора на вертикальной оси и приближался к своей цели все эти годы.
Изобретатель работал в двух направлениях: первое – сделать как можно больший захват лопастями воздушного потока и второе – свести к нулю трение опоры ветролопастей. Огромных размеров вертикальный ротор должен выполнить первую задачу, а вращающаяся турбина на магнитной подушке – вторую.
О второй задаче надо сказать более подробно. Вращение без трения достигается за счет магнитной левитации. Весь вертикальный роторный блок при вращении поднимается на своей оси и совершенно не касается нижнего опорного подшипника. Он установлен только для старта, для разгона турбины. Как только она набирает обороты, становится как бы невесомой и отрывается от подшипника. В результате трение сводится к нулю, если не считать трения самой турбины о воздух.
Гигантская турбина очень чувствительна и реагирует на малейшее дуновение ветерка. Такая способность подниматься во время вращения за счет магнитной левитации давно занимала ученые и изобретательские умы планеты. Это такое явление, при котором любая вещь или предмет, имея вес, отрывается от поверхности и парит в пространстве без всякого применения отталкивающей силы.
В проекте Мазура виден «плавающий» ротор на магнитной подушке, а вместо генератора установлен линейный синхронный двигатель. Ветрогенератор на магнитной подушке множеством лопастей максимально захватывает воздушный поток. По предположению, такая турбина будет вырабатывать электроэнергию по сказочно мизерной цене.
Это, конечно, лишь часть необычных для традиционного взгляда проектов. Некоторые из них, например, относящиеся к воздушной ветроэнергетике, уже успешно используются. Некоторым – еще предстоит найти свое место в истории. Понятно одно – на традиционных ветряках ветроэнергетика вовсе не заканчивается, она, как и любое направление техники, неуклонно продолжает развиваться.
Лопасти походного ветрогенератора
В предыдущих статьях о походном ветрогенераторе из динамо втулки я описал как можно сделать походный ветрогенератор из велосипедной динамо втулки, так-же изготовил щёточный узел поворотной оси ветрогенератора.Теперь немного о том, как я изготовил лопасти для этого ветряка.
Лопасти я вырезал полотном по металлу из метрового отрезка канализационной трубы.Трубу вдоль поделил на четыре части и распилил, пилится труба полотном по металлу отлично.Далее карандашом сделал наброски -черчёж лопасти и начертил контуры лопасти на всех четырёх заготовках, лопасти получились в длину у меня по 75 см.
В изготовлении ничего сложного нет, для наглядности размещу пару фотографий (извините фото с древнего мобильного) готовых лопастей.
На момент изготовления лопастей и щёточного узла у меня не было самого генератора (динамо втулки) , и я все размеры прикидывал визуально и фотографий динамо втулки с интернета.Сейчас лопасти готовы и ждут своего часа, в следующей статье будут испытания готового мини ветрогенератора, а сейчас я думаю что лопасти у меня не совсем удались, они не совсем подходят под данный ветрячёк.
Они больше подходят для маленького шагового двигателя, так как они получились быстроходными , для среднего ветра 5-7 м/с. Лопасти получились узковатые,такие лопасти будут раскручиваются до больших оборотов и плохо будут стартовать на слабом ветре, а для данного генератора большие обороты даже вредны, так как он рассчитан на небольшие обороты 100-300об/м, а большие обороты влекут за собой сильное увеличение напряжения (до 20-30 вольт и более) и нагрев катушек статора.
Вообще надо было лопасти изготовить из листа жести, но на тот момент у меня жести не оказалось и был готовый кусок канализационной трубы.После теста, если лопасти с данным генератором (динамо втулка) будут плохо работать, то надо будет делать из жести.Из жести лопасти будут немного полегче чем из пластмассовой трубы, а так-же надёжнее, так как пластмассу можно нечаянно сломать, а жесть лишь погнётся.
Лопасти по длине примерно такие-же, только раза в полтора пошире, чтобы при старте легко преодолевать залипания магнитных полюсов генератора и стартовать при малейшем ветерке 2-3м/с. Так-же для походов металлические лопасти будут понадёжнее пластмассы и полегче, и ещё один минус пластмассы это хрупкость на морозе, и со временем пластмасса высыхает и становится хрупкой, 3-4 года и пластмасса на солнце высохнет и станет очень хрупкой, а так-же пластмассовую лопасть может сломать сильный ветер, а это значит что в походных условиях «смерть» для ветряка, а металлические лопасти в этом плане понадежнее будут.
Дополнение
Всётаки как я решил не применять эти лопасти, которые я изготовил выше, так как они узкие и маленькие для этого ветряка , и генератор они на малом ветре крутить не будут. Я решил сделать металлические, широкие лопасти , и не четыре, а три. Нашел у себя кусок мятого оцинкованного листа и вырезал из него. Они конечно выглядят не очень, но зато они отлично как оказалось на испытаниях ветряка работают на малом ветре и крутятся при очень маленьком ветре.
Ниже фотография готового ветрогенератора в разборном виде, тут нет ничего сложного, нижнюю часть лопастей, которой они будут крепится к динамо втулке я немного загнул, края для жёсткости. Так-же из жести я сделал и хвостовую часть ветряка. Вес ветряка значительно увеличился в связи с применением всех деталей из металла, но его прочность и надежность тоже.
Бороться с обледенением ветрогенераторов в Арктике поможет разработка новосибирских ученых
Покрыть ледяной глазурью в аэродинамической трубе учёный может любую поверхность. Климатические параметры задаёт самостоятельно: температуру, влажность, скорость ветра. Так исследователи моделируют арктические условия.
Север ─ территория будущего для России. Его освоение требует колоссального использования энергии. Одно из самых перспективных решений энерговопроса ─ установка ветрогенераторов. Однако основное препятствие для их эффективной работы на арктическом побережье ─ обледенение.
«В гололёд мы замедляем походку. То же самое происходит и с ветрогенератором. Когда на нём появляется обледенение, он замедляет вращение, уменьшается выработка электроэнергии», ─ поясняет руководитель проекта «Разработка стратегии борьбы с обледенением ветрогенераторов в условиях Арктики» Валерий Окулов.
Замедлить или вывести из строя лопастную установку может наледь или иней. В лаборатории учёные искусственно создают ледяную корку, чтобы затем её разрушить. Методы разные ─ ультразвук, удары и вибрация, воздействие температурой, водоотталкивающие покрытия, нанесение гидрофобных покрытий, препятствующих задержанию капель на поверхности обледенения, пояснил ведущий инженер Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе Дмитрий Мухин.
Учёные намерены исследовать эффективность разных способов борьбы с обледенением, чтобы найти оптимальный вариант для разных условий и поверхностей. Такую задачу ещё никто в мире не решал.
А вот проверять действие антифриза в качестве противообледенителя учёные не будут, поскольку это средство ─ химическое, и несёт вред окружающей среде.
По словам заместителя директора Института теплофизики им. С. С. Кутателадзе Павла Куйбина, Россия включается в тренды, в первую очередь европейские, по переходу на зелёную энергетику, в том числе ветроэнергетику. Для России в настоящее время это очень актуальная задача.
Массово ветрогенераторы в российской Арктике пока не строят, но это ─ дело не столь отдалённого будущего, уверены учёные. Результаты исследований, воспользоваться которыми смогут и покорители Севера, новосибирцы представят через три года.
Ветрогенератор 12 вольт своими руками
Сделать ветряк самостоятельно кажется непосильной задачей, которая отнимает много времени и сил. Но следуя пошаговой инструкции можно легко и быстро достичь желаемого результата за небольшие деньги.
Задавшись целью обзавестись ветрогенератором, многие хотят его сделать самостоятельно. Как показали исследования в интернете — большинство так и делает, но такое решение отняло у них очень много времени и усилий (по крайней мере, самая первая сборка). Чаще всего применяется схема сборки на магнитах постоянного тока. Этот путь является значительно проще, чем самостоятельное создание самого генератора. По этой причине рекомендуется запастись терпением и начинать поиски двигателя, который бы отлично подходил по параметрам, чтобы сделать ветрогенератор своими руками.
к содержанию ↑Подбор генератора
Как оказалось, большинство использует в виде генератора старый мотор из компьютеров. Такой мотор является раритетом и применялся еще во времена, когда у вычислительных машин использовались большие ленточные катушечные накопители. Среди всех возможных вариантов самым лучшим можно считать двигатель постоянного тока от производителя Ametekна 30 вольт. Это самый подходящий вариант, чтобы сделать ветрогенератор, так как даже легкое вращение его вала может свободно генерировать 12 В. Данный двигатель довольно тяжело найти, но на торговых площадках ebay и Amazon полно его аналогов. Дополнительно в описании знающие люди указывают возможность их использования в качестве генератора для ветряка.
Подбор двигателя нужно делать с учетом следующих параметров:
- постоянный ток;
- низкие обороты;
- высокое напряжение;
- высокая сила тока.
Все дело в том, что двигатель, рассчитанный на 7200 оборотов и напряжением в 24 В, при низких оборотах вряд ли сможет дать требуемые значения. Но если взять 30-вольтовый мотор с номинальным значением в 325 об/мин, то вполне реально ожидать от него напряжение в 12 вольт даже при характерных ветряку низких оборотах.
Примерная стоимость того же Ametek примерно 26 $. Можно найти и немного дешевле двигатель, но это не столь важно. При обычном легком толчке он зажигает без проблем лампу на 12 вольт, что нам и требовалось. Итак, двигатель-генератор мы нашли. Приступаем к следующему шагу — расчету лопастей.
к содержанию ↑Лопасти
В качестве лопастей, создавая ветрогенератор, можно без проблем использовать обычную сантехническую трубу из ПВХ длиной 60 см и диаметром 15 см. Разрежьте ее на 4 части. Это будут заготовки лопастей. Затем вырежьте квадрат 5х5 у основания для создания крепежа в дальнейшем. Чтобы сохранить точную форму и не срезать лишнего рекомендуется просверлить изначально небольшое отверстие в нужном месте. Далее просто обрезаете лишний пластик вдоль заготовки по диагонали. Все, первая лопасть готова.
Используйте вырезанный элемент как шаблон для создания остальных трех лопастей. Также он будет играть роль запасной детали, если что-то пойдет не так. Двигатель на наш ветрогенератор мы выбрали и изготовили лопасти. Теперь нужно их сделать одним единым.
к содержанию ↑Сборка генератора с лопастями
Для объединения лопастей с генератором можно применять обычный шкив как основу и алюминиевый диск диаметром 13 см. Скрепив их вместе с использованием болтового соединения, вы получите отличную легкую и практичную основу, которая будет являться промежуточным звеном, передающим силу ветра с лопастей, вращая ветрогенератор. Сами лопасти крепятся также при помощи болтов. В магазине сантехники можно приобрести колпак, чтобы скрыть все металлические детали и придать ветряку большей обтекаемости. Практика показала, что все эти параметры позволяют даже легкому ветерку создавать вращения и при этом ветрогенератор вырабатывает положенные ему 12 В.
к содержанию ↑Установка турбины
Для установки турбины своими руками можно использовать обычную деревянную подставку из бруска длиной 84 см. Также желательно использовать кусок пластиковой трубы диаметром 10 см для защиты двигателя от разного рода осадков. В качестве хвоста для ветряка на 12 вольт рекомендуется применять алюминиевую пластину размером 21х35 см и толщиной 20-30 мм. Она идеально подойдет как противовес и как элемент для поворота установки по ветру. Все размеры не критичны и могут быть немного изменены под особенности конструкции.
Также рекомендуется провести шлифовку всех элементов и закругление углов для более привлекательного вида и лучших аэродинамических показателей. Затем покройте все деревянные части несколькими слоями краски. Цвет можете выбрать любой, так как от этого ничего не зависит.
Для большего удобства на краю, где будет располагаться сам генератор, можно прикрутить несколько планочек, чтобы он плотно сидел на своем месте. Крепиться мотор при помощи хомутов. Ветрогенератор готов. Теперь нужно установить его на мачте.
к содержанию ↑Элементы мачты
Конечный результат при создании ветряка своими руками полностью зависит от возможности поворачиваться в зависимости от направления ветра и основной высоты.
Обычная железная труба диаметром 2,5 сантиметра легко скользит внутри электрического трубопровода сечением 3 сантиметра. На бруске установите железный фланец с посадочным местом под трубу 2,5 см. Центр ее должен находиться примерно в 19 см от края. Далее просто вверните кусок трубы в фланец. Также нужно просверлить отверстие в бруске под провода, которые будут проходить через него.
Основание можно сделать в следующей последовательности:
- Из фанеры вырезается круг диаметром 60 см;
- К нему крепятся два металлических сантехнических колена диаметром 2,5 см при помощи фланцев;
- Посредине устанавливается тройник диаметром 3,5 см, на который накручивается основная труба;
- В деревянном диске нужно просверлить несколько отверстий для закрепления его на земле.
Труба, которая будет служить мачтой, может использоваться как разборная, так и цельная. Длина ее должна быть не менее 3 метра, а диаметр 3,5 см. Для закрепления трубы можно использовать обычные веревки с хомутами.
Мы создали мачту и теперь можем смело устанавливать наш 12-вольтовый ветрогенератор в рабочее положение. При этом не нужно забывать о подсоединении к нему проводов и протягивании их через трубу. У основания требуется проделать отверстие, чтобы их вывести и подсоединить к контроллеру, который мы сейчас и рассмотрим.
к содержанию ↑Схема контроллера
Контроллер позволяет регулировать заряд в батареях и при этом не дает им излишка энергии. Если АКБ полные, то это устройство перенаправляет ток напрямую к потребителю. Контроллер на 12 вольт можно легко найти в любом магазине электроники. Но его можно сделать и своими руками, что в положительно отразится на цене.
На рисунке приведена схема сборки контроллера. Она немного изменена в силу того, что большое количество стандартных деталей очень тяжело найти. Любой радиолюбитель сможет ее собрать в кучу.
Установив ветряк и присоединив контроллер мы видим, что наша конструкция работает и даже мультиметр демонстрирует практически точное значение в 12 вольт при слабом ветре. Сборка ветрогенератора своими руками выполнена.
к содержанию ↑Затраты
Наверное, самой важной частью являются затраты. Проведя небольшое исследование рынка можно прийти к выводу, что на закупку всех элементов с учетом инвертора и батарей, наш ветряк, собранный своими руками, обойдется не более 250 $. Заводские ветрогенераторы имеют практически такие же характеристики, как и тот, что вы соберете своими руками. Вот только придется за них выложить больше 1000 $.
Как сделать небольшой ветрогенератор своими руками
Итак, мы собираемся сделать небольшой ветрогенератор. Его можно изготовить в домашних условиях. 90% деталей выполнены из пластиковых труб и фитинга, поэтому его с легкостью можно разбирать для транспортировки и снова собирать. Давайте начнем.
Изготовление лопастей
Для этого вам понадобится пластиковая труба диаметром 8 см и длиной 25 см.
Разрежьте ее вдоль на три равные части. Каждую часть разрезаем вдоль под углом и из полученных деталей вырезаем лопасть, как на рисунке.
Для основы винта берем любую круглую пластину, диаметр которой 6 см.
Делаем в ней три равноудаленных отверстия и с помощью небольших болтов и гаек крепим лопасти к пластине.
Изготовление основы
На основе и мачте ветрогенератора устанавливается винт, генератор, хвост и поворотный механизм. Основу сделать очень просто. Для этого понадобится несколько коротких отрезков пластиковой трубы и некоторые элементы фитинга.
4 отвода и 3 тройника соединяем, как на рисунке.
Делаем хвост
Для нормальной работы ветрогенератора нужен хвост. Каково его назначение? Хвост нужен для автоматического поворота оси винта при изменении направления ветра.
Для его изготовления нужно вырезать пластину из оцинкованной стали, сделать прорезь в пластиковой трубе, вставить в нее пластину и закрепить все болтом.
Корпус с генератором
Для изготовления корпуса с генератором понадобятся:
- электропровод,
- корпус пластиковой ручки ,
- пластиковый тройник,
- два подшипника,
- мотор (генератор) постоянного тока на 3 В.
Вставьте генератор в тройник.
Закрепите подшипники на общей оси.
В качестве оси можно использовать отрезок корпуса ручки.
Один подшипник должен крепиться к тройнику.
Мини ветрогенератор готов
Поставьте ветрогенератор напротив вентилятора.
Подсоедините щупы к проводам на выходе. Да, прибор покажет, что вырабатывается электрический ток. С эффективным генератором можно зарядить 3-вольтовую батарею. Кроме этого, подобным образом можно сделать ветрогенератор побольше, которым можно будет заряжать мобильный телефон.
Смотрите видео работы ветрогенератора
2/2 + gravity / height_out + Work_shaft + Work_loss
pressure_in = давление на входе в дымоход
pressure_out = давление на выходе из дымохода
velocity_in = скорость воздуха на входе в дымоход
velcoity_out = скорость воздуха на выходе из дымохода
гравитация = вы должны быть знакомы с
height_in = высота у основания дымохода
height_out = высота наверху дымохода
Work_shaft = это то, что будет крутить турбину
Work_loss = потери из-за трения в дымоходе
Я не буду показывать все этапы расчета…
Если пренебречь потерями на гравитацию и трение, можно упростить уравнение.
Если вы затем вставите некоторые приблизительные значения, скажем, разницу давления в 10 паскалей (что может быть типично для дымохода горячего камина) и разницу скоростей в 1 метр / сек (что действительно движется, скажем, хороший ревущий горячий огонь), вы получите ценность.
Затем вам нужно умножить это значение на то, сколько массы воздуха в единицу времени проходит через дымоход для выполнения работы. (Воздух почти ничего не весит и сделает работу очень небольшой)
Таким образом, в этом примере вы получите:
0.01 Вт
Имейте в виду, что я никогда не видел турбину такой мощности, и вы можете потерять 50% теоретической мощности в турбине при выработке электроэнергии.
****
Вы действительно начинаете получать некоторую мощность только в том случае, если дымоход действительно очень горячий и вы пропускаете через дымоход много воздуха.
Сочетание энергии ветра с солнечными трубами
Спрос на электроэнергию во всем мире растет по мере развития экономики и начала ее процветания.На нерегулируемых рынках цена на электроэнергию растет вместе с ростом спроса. Эта более высокая стоимость побуждает предпринимателей разрабатывать методы производства электроэнергии с помощью технологий, которые в противном случае считались бы неконкурентоспособными. Со временем в эти технологии вносятся усовершенствования, снижающие стоимость производства электроэнергии.В самом широком смысле преобразование солнечной энергии претерпело и продолжает развиваться, начав с водяных колес, ветряных мельниц и водяных турбин.Энергия ветра и гидроэлектроэнергия являются косвенными формами солнечной тепловой энергии. Солнечные дымоходы, солнечные башни и вихревой двигатель являются одними из самых последних предложений, с помощью которых можно вырабатывать электрическую энергию из солнечной тепловой энергии. Масштабная модель солнечного дымохода мощностью 50 кВт уже несколько лет эксплуатируется в Испании, а масштабная модель вихревого двигателя проходит испытания в Юте.
Солнечная энергия используется для обогрева башни или дымохода, а также юбки вокруг основания башни.Нагретый воздух поднимается внутри дымохода и втягивает воздух через турбины, расположенные у его основания. Несмотря на то, что эффективность солнечных башен низка, они могут быть построены по конкурентоспособным ценам с точки зрения выходной мощности и конкурировать с мощностью солнечных тепловых паровых электростанций, а также фотоэлектрических технологий. Это крупномасштабная технология, в которой в качестве рабочего тела используется воздух и которая может значительно превосходить расчетную выходную мощность при меньших затратах, чем другие конкурирующие солнечные технологии, которые могут занимать ту же территорию.Солнечные дымоходы можно комбинировать с некоторыми типами фотоэлектрических преобразователей энергии.
В мире есть несколько регионов, где преобладающие ветры практически не меняют своего направления со сменой сезона. В этих регионах солнечные башни можно комбинировать с ветровой энергией для увеличения выходной мощности. Юбка в основании солнечных башен собирает солнечное тепло и предварительно нагревает воздух, прежде чем он пройдет через турбины и поднимется в дымоход. Эта юбка могла иметь полукруглую форму, чтобы захватывать ветер и направлять ветер к основанию башни.
Юбка спиральной формы могла захватывать большое поперечное сечение энергии ветра и направлять ее к наклонным впускным отверстиям в основании башни, создавая быстро вращающуюся воздушную массу или водоворот непосредственно внутри башни. Воздухозаборник с очень большим поперечным сечением может улавливать большое количество энергии ветра, которая разгоняется до более высокой скорости в уменьшающейся площади поперечного сечения спирального участка. Он будет проходить через малую площадь поперечного сечения турбин с высокой скоростью, с высоким КПД и обеспечивать более высокую выходную мощность, которая будет основана на кубе скорости ветра, проходящего через турбины.
Диаметр основания полноразмерной солнечной башни может варьироваться от 200 футов (60 метров) до 600 футов (200 метров). Солнечная труба создаст зону низкого давления сразу после турбин в основании этих двигателей. Торнадо или циклон, выбрасываемый из верхней части вихревого двигателя, дает аналогичный результат, поскольку он будет тянуть турбины для выработки энергии. Направление энергии ветра в воздухозаборник с уменьшающимся поперечным сечением увеличит скорость воздуха, проходящего через разработанные турбины, повысит эффективность и увеличит выходную мощность.
Турбины с вертикальной осью
Для выработки электроэнергии может использоваться большая турбина с вертикальной осью, если солнечная юбка имеет спиральную конструкцию. В миниатюрном масштабе спиральная юбка будет напоминать компоновку турбокомпрессора двигателя грузовика, в котором кожух служит статором. Он вызывает вихревую скорость выхлопного газа перед его прохождением через турбину с радиальным потоком. Русский инженер предложил дизайн гигантского ветряка с вертикальной осью, который может ездить по рельсам.Эта концепция может быть использована внутри основания солнечной башни, оснащенной спиральным воздухозаборником. Каждая тележка могла нести лопатку турбины или аэродинамический профиль высотой с мачту яхты или высокого парусного судна до 200 футов (60 метров) в высоту. Спиральная юбка гарантирует, что все вертикальные лопатки турбины будут передавать мощность во всех местах на 360 градусов.
Спиральный воздухозаборник, ведущий к наклонным вентиляционным отверстиям в основании солнечной башни, может создавать вихревую воздушную массу внутри башни.Эта концепция позволит достичь такого же результата, как и корпус турбонагнетателя в двигателе железнодорожного локомотива, который генерирует вихрь, который течет в турбину с осевым потоком. В мегамасштабе вихрь внутри солнечной башни будет течь в турбину с осевым потоком, установленную на высоте около 330 футов (100 метров) над землей. Его вес будет поддерживаться рельсами, построенными внутри стены главной башни, а также на стене центральной внутренней башни меньшего диаметра. Наружные рельсы будут нести как вертикальную нагрузку, так и растягивающую нагрузку или кольцевое напряжение, возникающее в результате скорости вращения каждой лопасти, создающей центробежную силу против рельса.Рельсовые колеса, на которых установлена турбина, также могут приводить в действие оборудование для выработки электроэнергии.
КПД и мощность
Пиковая изоэнтропическая эффективность больших турбин с вертикальной осью (с радиальным потоком) и больших турбин с осевым потоком может превышать 60% при умеренном ветре и повышаться до более 80% при сильном ветре. Поперечное сечение входа в спиральный воздухозаборник могло бы вдвое превышать поперечное сечение лопаток турбины. Это уменьшение площади поперечного сечения приведет к плавному увеличению скорости воздуха перед прохождением через турбины.Эффект удвоения скорости воздуха в спиральном воздухозаборнике повысит КПД турбины, а также повысит выходную мощность в восемь раз по сравнению с турбиной с вертикальной осью набегающего потока.
Башня с солнечным обогревом может служить вытяжной трубой, по которой воздух от турбин будет вытесняться в атмосферу. В некоторых местах обогреваемая башня может использоваться для создания вихря или торнадо, чтобы втягивать воздух через турбину мощностью до 200 МВт. Этот результат был рассчитан исследовательскими группами, такими как группа Solar Mission из Австралии, группа Vortex Engine из Канады и группа Floating Solar Chimney из Греции.Группа Vortex Engine даже предположила, что их конструкция может генерировать до 500 МВт мощности из башни диаметром 200 метров (656 футов). В настоящее время ведутся исследования, чтобы определить, будет ли вихрь вихревого двигателя продолжать работать в периоды сильного ветра.
Башня диаметром 600 футов может иметь угловые воздухозаборники шириной 1000 футов у основания башни и возможной вертикальной высотой 200 футов. Он может пропускать воздух через турбины с плотностью 0,065 фунта на кубический фут и превышать мощность 140 МВт при изоэнтропическом КПД 60%.Эта мощность может возрасти до более 330 МВт при скорости воздуха 40 футов в секунду за счет турбин с изэнтропическим КПД 60%. Мощность 1 ГВт может быть возможна после того, как скорость воздуха превысит 50 футов в секунду за счет турбин, работающих с изоэнтропическим КПД 70%. Этот выход будет комбинированным выходом местного солнечного нагрева воздуха и удаленной солнечной тепловой энергии, которая порождает ветры. Дополнительная мощность станет возможной после установки на вышке гибких солнечных панелей от такой компании, как Daystar.Эти панели будут преобразовывать в основном ультрафиолетовый свет, в то время как тепло инфракрасного спектра может нагревать стены башни.
Выхлоп системы
Существуют географические места, где солнечная башня высотой 200 метров (656 футов) может вытеснить закрученный вихрь высоко в атмосферу и создать мощный вакуумный эффект сразу после турбины. Этот эффект вакуума повысит эффективность и мощность турбины. Статор выхлопных газов может потребоваться непосредственно после турбины с осевым потоком для поддержания вихря выхлопных газов.
Есть и другие места, где можно было бы использовать высокую башню вместо водоворота. Подходящим выхлопом может быть конструкция плавающей дымовой трубы высотой 1500 метров, разработанная в Греции. Его можно было прикрепить к башне высотой до 200 метров и сделать из железобетона. Такая башня могла бы разместить осевую турбину на высоте 100 метров. Солнечные башни, построенные очень большого диаметра и использующие осевую турбину и меньшую внутреннюю башню, могут использовать круговой массив из нескольких плавающих дымоходов для создания тяги турбины.
Высота бетонной башни могла бы быть уменьшена до менее чем 100 метров, если бы для выработки электроэнергии использовалась большая вертикально-осевая турбина с радиальным потоком. Плавающий солнечный дымоход мог быть прикреплен к такой башне и достигал высоты 1500 метров. Он будет сделан из легкого материала и удерживаться в воздухе рядом воздушных ячеек, содержащих легкий газ, такой как гелий. Возможно, удастся прикрепить гибкую фотоэлектрическую технологию от Daystar к конструкции плавающего дымохода для получения дополнительной мощности.
Подходящие места
В мире есть множество мест, где направление ветра очень мало меняется в зависимости от времени года. Сильные ветры дуют со средней части Атлантического океана через группу островов, известных как Малые Антильские острова, а также вдоль прибрежных районов таких стран, как Суринам, Гайана и Венесуэла. Некоторые из этих ветров дуют в странах Центральной Америки, таких как Гондурас, Никарагуа и Панама. Такие же сильные ветры дуют с юга Атлантики в сторону побережья Бразилии между 5 градусами южной широты и тропиком Козерога.
Есть однонаправленные ветры, которые дуют в сторону Чили к югу от Вальпараисо, а также ветры, которые дуют на север вдоль прибрежных районов северной части Чили и южной части Перу. Подобные северные ветры дуют вдоль западного побережья Африки между тропиком Козерога и экватором, а также вдоль западного побережья Австралии около Перта. В основном однонаправленные ветры также дуют вдоль северо-восточного и южного побережья Австралии, над Тасманией, через южную часть Новой Зеландии, а также через самую южную оконечность Южной Африки.
Однонаправленные ветры дуют также из северной части Атлантического океана в сторону Ирландии, Шотландии, над частью южной части Великобритании, а также над западной частью Франции и северной Испанией. Ветры, дующие на юг над Северной Африкой и Аравийским полуостровом, практически не меняются в зависимости от времени года. В местах, где выпадают частые и обильные дожди, дренажные системы должны быть включены в солнечные башни с ветровым наддувом. В других местах местная топография может повысить производительность таких двигателей.
Влияние гор
В мире есть множество мест, где однонаправленные ветры дуют в сужающиеся долины в течение всего года. В некоторых местах можно воспользоваться преимуществами таких особенностей, поскольку стены таких впадин могут служить внешними стенками для части воздухозаборника. К стенам долин можно было прикрепить кабели, чтобы стабилизировать солнечную башню от деформации и даже нести часть веса башни. Плавающий дымоход мог быть размещен на вершине стабилизированной башни и достигал расстояния до 2000 метров между турбиной и выходом.Башня, стабилизированная тросом, может разделиться на несколько частей, к которым могут быть прикреплены плавучие дымоходы для увеличения тяги на турбинах.
Некоторые долины ведут к тупикам, из которых набегающие ветры будут ускоряться вверх с большой скоростью. Такие восходящие потоки могли создавать тягу наверху башни и турбинам у ее основания. Восходящий поток также может поддерживать водоворот на выходе из башни. В других местах башня могла выпускать воздух вниз по течению в расширяющуюся долину, над которой можно было построить укрытие, чтобы тянуть турбины в башне.Могут быть возможности для использования других топографических характеристик для повышения производительности систем солнечной башни с наддувом ветра. Подходящие горы и ветры могут быть найдены в нескольких местах по всему миру, включая:
- Анды вдоль побережья Чили и Перу.
- Прибрежные горы Калифорнии и Центральные горы Нижней Калифорнии.
- Центральные горы Панамы, Коста-Рики, Гондураса и Гватемалы.
- Прибрежные горы на севере Испании.
- Южные Альпы Новой Зеландии.
Выводы
Выходная мощность и эффективность таких двигателей, как солнечный дымоход, солнечная башня и вихревые двигатели, могут быть улучшены с использованием энергии ветра в регионах, где ветры являются однонаправленными круглый год. Производительность может быть дополнительно улучшена за счет использования тепловой энергии, вырабатываемой отходящим теплом тепловых электростанций, геотермальной энергией или концентрированным солнечным теплом. Солнечные отражатели могут быть размещены на разных высотах на горных склонах для увеличения нагрева стен более коротких солнечных башен и дымоходов.Хотя общая эффективность солнечных башен с ветровым наддувом может оставаться сравнительно низкой, они все же могут быть конкурентоспособными по сравнению со многими другими возобновляемыми технологиями с точки зрения производительности на единицу стоимости.
Дизайн лопасти ветряной турбины для солнечной дымоходной электростанции
RICHARDS R. Разработка прототипов солнечной энергии в Испании показывает большие перспективы [J]. MPS Review, 1982, (2): 21–23.
Google Scholar
SCHIEL W, SCHLAICH J.Солнечный дымоход, электричество от солнца [EB / OL]. [2017-12-12]. https://www.researchgate.net/publication/282859303.
Google Scholar
ZUO L, LIU Y C. Прогресс интегрированного применения технологии производства энергии из солнечных дымоходов [J]. East China Electric Power, 2014, 42 (5): 985–992 (на китайском языке).
Google Scholar
ZHANG J F, YANG J K, XIAO B, et al.Прогресс в области технологии солнечных шимбайнов для производства электроэнергии [J]. Возобновляемые источники энергии, 2003 (1): 5–7 (на китайском языке).
Google Scholar
ZUO L, ZHENG Y, ZHOU J, et al. Прогресс технологии производства энергии из солнечных дымоходов [J]. Журнал Университета Хохай (естественные науки), 2009 г., 37 (1): 41–47 (на китайском языке).
Google Scholar
GUO P H, WANG Y, LI J Y.Численный анализ теплопередачи в солнечной дымоходной электростанции [J]. Журнал Сианьского университета Цзяотун, 2014 г., 48 (3): 102–107 (на китайском языке).
MathSciNet Статья Google Scholar
LONG X F. Технологический прогресс в солнечных дымоходах для выработки тепловой энергии [J]. Guangdong Electric Power, 2004, 17 (1): 1–6 (на китайском языке).
MathSciNet Google Scholar
CLOETE R.Солнечная башня проливает свет на малоизвестные технологии [EB / OL]. [2017-12-12]. http://www.engineeringnews.co za / article php.
Google Scholar
CHEN J, LI S L, SHEN W Z, et al. Конструкция составной лопасти ветряной турбины с аэроупругим эффектом [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2017, 38 (5): 1354–1360 (на китайском языке).
Google Scholar
DING T, LIU J A, FANG L M и др.Оптимизация конструкции лопасти ветряной турбины Savonius на основе множественной кривой Безье [J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2017, 38 (4): 959–965 (на китайском языке).
Google Scholar
WANG Q, HONG X, YANG J Z, et al. Оптимальная аэродинамическая конструкция лопастей ветряных турбин с низким уровнем шума [J]. Китайское машиностроение, 2018, 29 (13): 1574–1570 (на китайском языке).
Google Scholar
OLORUNFEMI O.Обзор технологии солнечных дымоходов: ее применение в пустынных деревнях / регионах на севере Нигерии [J]. Международный журнал научных и инженерных исследований, 2014 г., 5 (12): 1210–1216.
Google Scholar
TAN A Y K, WONG N H. Влияние скорости окружающего воздуха и внутренней тепловой нагрузки на работу солнечного дымохода в тропиках [Дж]. Sol Energy, 2014, 102: 116–125.
Артикул Google Scholar
ZHAI X Q, SONG Z P, WANG R Z, Обзор применения солнечных дымоходов в зданиях [J].Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, 2011 г., 15: 3757–3767.
Артикул Google Scholar
GHALAMCHI M, KASAEIAN A, GHALAMCHI M. Экспериментальное исследование геометрического и климатического воздействия на работу небольшого солнечного дымохода [J]. Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, 2015, 43: 425–431.
Артикул Google Scholar
КАСАЕЯН А Б, ХЕЙДАРИ Э., ВАТАН С. Н.Экспериментальное исследование климатических воздействий на эффективность пилотной электростанции с солнечным дымоходом [J]. Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики, 2011 г., 15: 5202–5206.
Артикул Google Scholar
LI Y C, LIU S L. Экспериментальное исследование тепловых характеристик солнечного дымохода в сочетании с PCM [J]. Прикладная энергия, 2014, 114: 172–178.
Артикул Google Scholar
ГОЛАМАЛИЗАДЕ Э., МАНСУРИ С. Х.Комплексный подход к проектированию и усовершенствованию солнечной дымоходной электростанции: частный случай – проект Кермана [J]. Прикладная энергия, 2013, 102: 975–982.
Артикул Google Scholar
ШАХРЕЗА АР, ИМАНИ Х. Экспериментальное и численное исследование инновационного солнечного дымохода [J]. Преобразование энергии и управление, 2015, 95: 446–452.
Артикул Google Scholar
HAAF W, FRIEDRICH K, MAYR G, et al.Солнечные дымоходы. Часть. Принцип и строительство пилотной установки в Мансанаресе [J]. Международный журнал солнечной энергии, 1983, 2 (1): 3–20.
Google Scholar
FAN Z H, LIU F Y. Исследование с помощью моделирования методом CFD на солнечной дымовой системе [J]. Возобновляемые источники энергии, 2009, 27 (4): 7–9 (на китайском языке).
Google Scholar
КУЛЬФАН Б. М. Метод представления универсальной параметрической геометрии – «CST» [C] // 45-я конференция и выставка AIAA по аэрокосмической науке.Рено Хилтон, США: AIAA, 2007: 1–35.
Google Scholar
GUAN X H, LI Z K, SONG B F. Исследование метода параметризации аэродинамической формы CST [J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2012, 33 (4): 625–633 (на китайском языке).
Google Scholar
BU Y P, SONG W P, HAN Z H и др. Расчет аэродинамической оптимизации профиля на основе метода параметризации CST [J].Журнал политехнического университета Нортвезерна, 2013 г., 31 (5): 829–836 (на китайском языке).
Google Scholar
LI W H, YU B, ZHANG L D, et al. Оптимальная конструкция аэродинамического профиля ветряной турбины [J]. Water Resources and Power, 2016, 34 (3): 174–176 (на китайском языке).
Google Scholar
MA L J, CHEN J, DU G, et al. Параметрические исследования влияния толщины задней кромки на аэродинамические характеристики крыльев ветряных турбин [J].Acta Energiae Solaris Sinica, 2010, 31 (8): 1060–1067 (на китайском языке).
Google Scholar
Солнечные дымоходы – обзор
3.5.1 Фотоэлектрические тепловые системы
Как упоминалось в предыдущей главе, менее 20% падающей солнечной энергии преобразуется в электричество внутри фотоэлемента, а остальная часть рассеивается в виде тепла через устройство. Это может значительно снизить эффективность преобразования солнечного элемента.Также было упомянуто, что использование технологий и оборудования для отвода тепла может значительно улучшить общие характеристики фотоэлектрической системы. Собранное тепло можно также использовать для других низкопотенциальных тепловых целей в зданиях или промышленных предприятиях. Такая система, которая производит фотоэлектрическую энергию и тепловую энергию одновременно, известна как PVT-система. Хотя такие модули являются производственными устройствами ТЭЦ, они обычно исследуются в отдельной категории [51].
Низкопотенциальное тепло используется для различных целей, включая отопление помещений в зданиях, технологическое отопление в промышленности, нагрев воды (или других жидкостей) для бытовых или промышленных целей, сушку сельскохозяйственных культур, осушение и т. Д.Поскольку блоки PVT могут быть установлены по той же цене, что и отдельные фотоэлектрические или солнечно-тепловые модули, и, учитывая, что коммерческие PVT обычно представлены в компактном корпусе и корпусах, они являются отличным выбором для применения в ZEB. Получая выгоду от солнечного тепла в дополнение к электричеству, вырабатываемому фотоэлектрическим эффектом, PVT-устройства имеют гораздо более высокую эффективность преобразования, чем фотоэлектрические панели [52].
Типичный PVT-модуль состоит из каналов для протекания или хранения теплоносителя рядом с фотоэлектрической панелью, как показано на рис.3.36. Соответственно, PVT в первую очередь классифицируются на основе теплоносителя. В течение трех или четырех десятилетий воздух и вода были основными теплоносителями, используемыми в модулях PVT для сбора тепла с задней стороны панели PV. В последние годы исследователи предложили использовать другие материалы, такие как наножидкости и хладагенты. Кроме того, были предложены другие конфигурации устройства, а не простая конфигурация потока теплоносителя. Среди новых представленных методов были упомянуты объединение тепловых трубок, тепловых насосов и аккумуляторов тепла PCM с модулями PVT.Рис. 3.37 иллюстрирует одну из предложенных классификаций доступных в настоящее время PVT-устройств [52].
Рис. 3.36. Компоненты типичного плоского коллектора PVT [53].
Рис. 3.37. Таблица классификации модулей PVT [52].
Установки PVT воздушного базирования являются одними из самых популярных устройств в этой области. Воздушный поток в этих модулях может быть активным или пассивным. Хотя принудительный поток воздуха обеспечивает более высокую эффективность, потребление энергии вентилятором снижает общую выходную мощность фотоэлектрических модулей. Нагретый воздух можно использовать для различных целей в здании, например, для подачи в оборудование HVAC в качестве предварительно нагретого воздуха или, в некоторых конструкциях, подобных тромбовидной стене или солнечным дымоходам, направлять непосредственно внутрь здания.В некоторых других применениях нагретый воздух можно использовать для сельскохозяйственных целей или для сушки. На рис. 3.38 показаны обычные воздушные PVT-конфигурации, основанные на расположении и форме воздушного канала относительно фотоэлемента. Соответственно, можно выделить четыре конфигурации конструкции: канал воздушного потока над абсорбером, канал воздушного потока под абсорбером, канал воздушного потока с обеих сторон абсорбера и двухходовая конструкция. Стоит отметить, что за счет включения материала остекления в конструкцию PVT на воздушной основе, общая производительность модуля может быть улучшена за счет учета дневного света, выработки большего количества электроэнергии и снижения требуемой нагрузки на кондиционирование воздуха [54].
Рис. 3.38. Поперечное сечение четырех основных проектных конфигураций PVT воздушного базирования [53]: (A) канал над PV, (B) канал ниже PV, (C) PV между однопроходными каналами и (D) двухпроходная конструкция.
Другой крупной конфигурацией PVT, которая была популярна в последние десятилетия, является PVT на водной основе. В этих устройствах набор последовательных или параллельных трубок, по которым течет вода, прикреплен к задней стороне фотоэлектрической панели. По сравнению с воздухом вода способна переносить большее количество тепла, и поэтому блоки PVT на водной основе можно использовать для более высоких температур, таких как горячее водоснабжение, сушка пищевых продуктов или технологическое тепло.Кроме того, как тепловая, так и электрическая эффективность выше у PVT на водной основе по сравнению с PVT на воздушной основе, что в основном связано с более высокой тепловой массой воды по сравнению с воздухом. Однако следует также учитывать более высокую сложность и стоимость водяных теплообменников, что увеличивает общую стоимость системы и требования к техническому обслуживанию [54]. На рис. 3.39 показаны некоторые общие концепции проектирования PVT-модулей на водной основе.
Рис. 3.39. Поперечное сечение обычных PVT-модулей на водной основе [53]: (A) конструкция из листов и труб, (B) конструкция коробчатого канала, (C) канал над PV-конструкцией и (D) канал под PV (прозрачная) конструкция .
Как указано в классификации PVT, есть несколько новых концепций дизайна, которые были представлены и использовались в течение последнего десятилетия. Двухжидкостная PVT-конструкция, включающая воздух и воду в качестве рабочих жидкостей, является довольно новой концепцией. Кроме того, наножидкости можно использовать в качестве теплоносителя для увеличения общего теплового и электрического КПД модуля. Это связано с тем, что добавление наночастиц может значительно улучшить механизмы теплопередачи. В качестве другого варианта теплоносителя можно использовать хладагенты, которые являются подходящим выбором для соединения блока PVT с холодильными устройствами Ранкина.Тепловые трубы также могут использоваться вместе с фотоэлементами. В таких случаях тепловая труба действует как отвод тепла от фотоэлемента, передавая его рассматриваемому теплоносителю. Наконец, ИКМ также можно использовать рядом с фотоэлементами. Согласно проведенным исследованиям в этой области, устройства PVT-PCM имеют более высокие показатели производительности по сравнению с обычными модулями [54].
Оценить электрический КПД модуля PVT проще, чем его тепловой КПД. Это связано с тем, что электрическая энергия используется на месте, и применение аккумуляторных батарей не является обязательным, тогда как для тепловой энергии дело обстоит иначе.Есть несколько подсистем, образующих общий тепловой блок, включая, среди прочего, блок аккумулирования тепла, механическое устройство, вспомогательный нагреватель и теплоноситель, протекающий по каналам или трубам. Каждый из этих компонентов имеет свои собственные тепловые коэффициенты полезного действия и потери. В связи с этим, оптимальные значения солнечной доли должны быть рассчитаны вместе с другими параметрами для достижения наилучших характеристик системы. Проще говоря, электрический и тепловой КПД устройства PVT можно оценить следующим образом [53]:
(3.32) ηt = ṁcTout − TinGAcol
(3.33) ηe = VmppImppGAcol
, где ṁ, c и A col представляют массовый расход охлаждающей жидкости, удельную теплоемкость охлаждающей жидкости и отверстие коллектора. площади соответственно. Кроме того, T в и T out обозначают температуры охлаждающей жидкости на входе и выходе соответственно. Наконец, V mpp и I mpp представляют напряжение и ток для рабочего состояния точки максимальной мощности, соответственно.Электрический КПД связан с эффективностью ячейки ( η , ячейка ) коэффициентом упаковки ( λ ), который определяется как отношение площади поверхности ячейки ( A ячейка ) к площади апертуры, следующим образом [53]:
(3.34) ηe = Acell ηcellAcol = ληcell
Тепловой КПД в основном выражается как функция пониженной температуры ( T ), которая определяется как [53]:
( 3.35) T⁎≡Tin − TaG
В этом методе можно использовать различные модели.В модели Hottel-Whillier-Bliss, модифицированной Florschuetz, тепловой КПД выражается как [53]:
(3,36) ηt = FRτae1 − ηe − ULTin − TaG
, в котором F R , U L и ( τα ) e обозначают коэффициент теплоотвода, общий коэффициент тепловых потерь и эффективный коэффициент пропускания коллектора, а электрический КПД считается при температуре окружающей среды. Также следует отметить, что F R – это соотношение между фактическим полезным тепловыделением и максимально возможным тепловыделением.Уравнение (3.36) можно также записать на основе средней температуры охлаждающей жидкости ( T m ) как [53]:
(3.37) ηt = F′τae1 − ηe − ULTm − TaG
, где F ′ – коэффициент полезного действия коллектора. Это соотношение может быть выражено линейно как [53]:
(3,38) ηt = ηt0 − VT⁎
, в котором остаточная величина η t 0 представляет собой тепловой КПД коллектора при нулевой пониженной температуре. Кроме того, значение наклона V является функцией коэффициента теплопотерь коллектора.
Для общей оценки производительности системы общая тенденция в литературе состоит в том, чтобы просто суммировать электрический и тепловой КПД для определения общего КПД ( η 0 ) как [53]:
(3.39) η0 = ηe + ηt
Другая тенденция для общей оценки производительности утверждает, что электричество относится к более высокому классу, чем тепловая энергия, и это не точная оценка для суммирования двух показателей эффективности. В связи с этим эффективность энергосбережения ( η экономия ) может быть определена как [53]:
(3.40) ηsaving = ηeηpower + ηt
В котором η power обозначает эффективность производства электроэнергии преобразовательной электростанцией.
Комплексное исследование солнечной дымовой электростанции с ветровым наддувом в сочетании с опреснением морской воды
Основные моменты
- •
На основе SCPPCSD предлагается нагнетательное устройство, называемое вентилятором давления ветра.
- •
Проведено нестационарное численное моделирование ветрового вентилятора.
- •
Проанализированы характеристики поля течения и рабочие параметры данного устройства.
- •
Сравнение SCPP, SCPPCSD и WSSCPPCSD проводится с постоянным расчетом.
- •
Использование солнечной энергии в SCPP увеличивается на 70% благодаря предлагаемому устройству.
Abstract
В данном исследовании была предложена модель солнечной дымовой электростанции с ветровым наддувом в сочетании с опреснением морской воды (WSSCPPCSD).Интегрированная система была разделена на ветровой вентилятор и систему выработки солнечной энергии через дымоход для численного моделирования. Было проведено трехмерное нестационарное численное исследование на ветровом вентиляторе, а также численное исследование установившегося режима на солнечной дымовой системе выработки энергии. Были проанализированы характеристики поля течения и рабочие параметры двух подсистем. Впоследствии было проведено сравнение между солнечной дымоходной электростанцией (SCPP), солнечной дымовой электростанцией в сочетании с опреснением морской воды (SCPPCSD) и WSSCPPCSD.Результаты показывают, что, хотя SCPPCSD может значительно улучшить комплексное использование солнечной энергии, выработка электроэнергии снижается. Вентилятор давления ветра, предложенный в этой статье, может не только значительно увеличить выработку электроэнергии, но и увеличить производство пресной воды за счет создания отрицательного давления 64,5 Па на выходе из дымохода. Было обнаружено, что при 800 Вт / м 2 было получено увеличение выходной мощности примерно на 14,7 кВт и увеличение почасовой выработки пресной воды на 30 г / ч.
Ключевые слова
Солнечный дымоход
Вентилятор давления ветра
Лопасть ветрового колеса с вертикальной осью Н-типа
Опреснение морской воды
Численное моделирование
Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)
Полный текст© 2018 Elsevier Ltd. Все права сдержанный.
Рекомендуемые статьи
Ссылки на статьи
Эксперт по проектированию зданий Solar Updraft Tower
Башня с восходящим потоком солнечной энергии (SUT) – это электростанция, работающая на возобновляемых источниках энергии, для производства электроэнергии из солнечной энергии.Солнечный свет нагревает воздух под очень широкой крытой коллекторной конструкцией, напоминающей оранжерею, окружающей центральное основание очень высокой дымоходной башни. Возникающая в результате конвекция вызывает в градирне восходящий поток горячего воздуха за счет эффекта дымохода. Этот воздушный поток приводит в движение ветряные турбины, размещенные в восходящем потоке дымохода или вокруг основания дымохода, чтобы производить электричество. Планы по расширению версий демонстрационных моделей позволят производить значительную электроэнергию и могут позволить разработку других приложений, таких как добыча или дистилляция воды, сельское хозяйство или садоводство.В качестве предложения солнечной дымоходной электростанции (SCPP) для производства электроэнергии коммерческие инвестиции не приветствуются из-за высокой начальной стоимости строительства очень большой новой конструкции, а также из-за риска инвестиций в осуществимое, но недоказанное применение даже проверенной технологии компонентов для долгосрочная отдача от инвестиций – особенно по сравнению с доказанной и продемонстрированной более высокой краткосрочной отдачей от меньших инвестиций в угольные или атомные электростанции [необходима цитата]. Точно так же выгоды «чистых» или солнечных энергетических технологий являются общими, и широко распространенное вредное загрязнение существующих технологий производства электроэнергии не используется в качестве затрат для частных коммерческих инвестиций.Это хорошо описанный экономический компромисс между частной выгодой и совместными затратами по сравнению с общей выгодой и частными затратами.
ДизайнВыходная мощность в основном зависит от двух факторов: площади коллектора и высоты дымохода. Большая площадь собирает и нагревает больший объем воздуха, поднимающегося вверх по дымоходу; обсуждались коллекторные области размером до 7 километров (4,3 мили) в диаметре. Большая высота дымохода увеличивает перепад давления за счет эффекта дымовой трубы; обсуждались дымоходы высотой до 1000 метров (3281 фут).[1] Тепло может накапливаться внутри области коллектора. Земля под солнечным коллектором, вода в мешках или трубках или теплоотвод с морской водой в коллекторе могут добавить коллектору теплоемкость и инерцию. Влажность восходящего потока и конденсация в дымоходе могут увеличить поток энергии в системе. [2] [3] Турбины с горизонтальной осью могут быть установлены кольцом вокруг основания башни, как это когда-то планировалось для австралийского проекта и показано на схеме выше; или – как в прототипе в Испании – внутри дымохода может быть установлена турбина с одной вертикальной осью.Углекислый газ выделяется лишь в незначительной степени [необходима цитата] в ходе производственной деятельности. Производство и строительство требуют значительных мощностей, особенно для производства цемента. Чистая окупаемость энергии оценивается в 2–3 года [3]. Поскольку солнечные коллекторы занимают значительные участки земли, наиболее вероятны пустыни и другие малоценные участки. Небольшая солнечная башня с восходящим потоком может быть привлекательным вариантом для отдаленных регионов развивающихся стран. [4] [5] Относительно низкотехнологичный подход может позволить использовать местные ресурсы и рабочую силу для строительства и обслуживания.Размещение башни в высоких широтах может дать до 85 процентов продукции аналогичной установки, расположенной ближе к экватору, если зона сбора будет значительно наклонена к экватору. Наклонное коллекторное поле, которое также выполняет функцию дымохода, построено на подходящих горных склонах с коротким вертикальным дымоходом на вершине горы для размещения воздушной турбины с вертикальной осью. Результаты показали, что солнечные дымоходные электростанции в высоких широтах могут иметь удовлетворительные тепловые характеристики.[6] Солнечные восходящие башни можно комбинировать с другими технологиями для увеличения производительности. Внутри коллекторной теплицы можно разместить солнечные тепловые коллекторы или фотоэлектрические батареи. В дальнейшем это можно было бы объединить с сельским хозяйством.
Текст предоставлен Википедией
Энергии | Бесплатный полнотекстовый | Сравнительное исследование CFD-моделей реальной ветряной турбины в солнечных дымоходных электростанциях
1. Введение
Солнечная дымоходная электростанция (SCPP) – одна из практических солнечных тепловых энергетических систем, которые производят электричество из солнечной энергии.Обычный SCPP состоит из четырех основных частей: солнечного коллектора, накопителя энергии, такого как земля, дымохода и ветряной турбины. На рисунке 1 показана схематическая диаграмма SCPP и его граничных условий. Солнечное излучение свободно попадает в коллектор через крышку коллектора, которая представляет собой полупрозрачную среду, такую как стекло, а затем поглощается землей. Поскольку полупрозрачная крышка непрозрачна для длинноволнового излучения, испускаемого землей, воздух внутри коллектора нагревается за счет парникового эффекта.Следовательно, температура воздушного потока через коллектор увеличивается, что приводит к непрерывному восходящему потоку в дымоходе из-за восходящей силы плавучести. Этот воздушный поток запускает турбину, расположенную у основания дымохода. Наконец, генератор преобразует механическую энергию, производимую турбиной, в электрическую. Первый SCPP, названный прототипом Manzanares, был построен в Мансанаресе, Испания, в 1982 году. Этот прототип был разработан для выработки максимальной выходной мощности 50 кВт и испытывался в непрерывной эксплуатации в течение семи лет [1].Построенные размеры прототипа Manzanares перечислены в таблице 1. Математическая модель и предварительные результаты испытаний прототипа Manzanares были опубликованы Haaf et al. [2,3]. Эти результаты впервые продемонстрировали осуществимость системы SCPP. После этого было проведено несколько исследований производительности системы [4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19]. Бернардес и др. [20] разработал первый численный код с использованием метода конечных объемов, который решил уравнения Навье-Стокса и энергии для естественной ламинарной конвекции в установившемся состоянии.Затем Pastohr et al. [21] смоделировали систему SCPP с основными размерами прототипа Мансанареса, используя коммерческий пакет вычислительной гидродинамики (CFD). Впоследствии коммерческие коды CFD широко использовались для моделирования потока жидкости и характеристик теплопередачи в системе SCPP. Большинство предварительных симуляций проводилось в осесимметричной системе с наложением некоторых нефизических граничных условий, таких как тонкий слой в качестве источника тепла для моделирования грунта, тепловых потоков, профилей удельной температуры стенок и однородного источника тепла в пределах воздушный поток [21,22,23,24].Голамализаде и Ким [25] разработали более точную трехмерную (3-D) модель с использованием CFD, которая предсказывает теплопередачу внутри солнечного коллектора с учетом парникового эффекта с использованием дискретных ординат для излучения и модели солнечной нагрузки. Подход 3-D CFD был также выполнен Guo et al. [23], который предсказал максимальное значение падения давления в турбине при определенной солнечной освещенности. Моделирование SCPP без турбины может выявить некоторую информацию, которая может быть использована для оценки осуществимости и потенциальной энергии системы.Однако при численном анализе моделирование турбины оказывает существенное влияние на прогнозируемые характеристики системы. В нескольких исследованиях была принята модель приводного диска, называемая «граничным условием обратного вентилятора», для моделирования перепада давления в турбине. Эта модель действительно реализует заранее определенный скачок внутреннего давления через тонкую поверхность. Pastohr et al. использовали предел Бетца для расчета значения падения давления для модели реверсивного вентилятора [17]. Величина падения давления была также оценена с помощью параметрического исследования [24,26] и итерационного подхода [21].Основным преимуществом модели реверсивного вентилятора было моделирование скачка давления турбины с низкими вычислительными затратами. Однако модель реверсивного вентилятора не может точно предсказать распределение давления в системе [27]. Следовательно, моделирование физического ветряного двигателя представляет интерес с точки зрения проектирования, поскольку оно оказывает значительное влияние на поток жидкости и характеристики теплопередачи через систему SCPP. На основании обзора литературы было проведено лишь несколько исследований, в которых моделировалась трехмерная ветряная турбина для SCPP [27,28,29].В основании дымовой трубы прототипа Manzanares [30] была установлена 4-лопастная закрытая ступенчатая ветряная турбина с профилем лопастей FX W-151-A. Gholamalizadeh et al. [27] смоделировали 4-лопастную ветряную турбину с регулируемым давлением и тем же профилем, что и у прототипа Manzanares (FX W-151-A). Guo et al. [28] и Ming et al. [29] также использовали профиль лопасти CLARK Y для моделирования 4-лопастных и 3-лопастных ветряных турбин с регулируемым давлением, соответственно.В этой статье, чтобы изучить влияние моделирования профиля лопасти на точность прогноза для реальной ветряной турбины в сочетании с SCPP, трехмерное моделирование прототипа Manzanares в сочетании с ветряной турбиной с FX W-151- Был выполнен профиль лопасти.Затем было представлено сравнительное исследование моделирования двух различных профилей турбин, включая профили лопаток FX W-151-A и CLARK Y. Это поможет получить более реалистичную модель SCPP и, таким образом, будет способствовать более точному моделированию потока жидкости и характеристик теплопередачи системы. Кроме того, для турбины с профилем лопаток FX W-151-A было исследовано и спрогнозировано влияние изменений скорости вращения турбины на массовый расход, перепад давления в турбине, КПД турбины и выходную мощность. результаты сравнивались с результатами для профиля лезвия CLARK Y.
2. Численные методологии
В [27,28,29] моделирование с построенными размерами прототипа Manzanares для установившегося потока было выполнено с использованием коммерческого программного пакета CFD ANSYS Fluent (ANSYS Inc., Питтсбург, Пенсильвания). , СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ). В моделировании, проведенном в этом исследовании, использовалась модель, разработанная Gholamalizadeh et al. [27]. Однако, чтобы сравнить результаты с результатами, опубликованными в других работах, значения основных входных параметров были установлены такими, чтобы соответствовать значениям, приведенным в [5].[28], как указано в Таблице 2. Численное моделирование основано на следующих предположениях: (1) Для такого мелкомасштабного SCPP можно предположить свойства воздуха окружающей среды, такие как температура окружающей среды и температура воздуха на входе. быть постоянным; (2) не учитываются потери тепла через стенку дымохода; (3) поскольку разность температур в системе невелика (β (T − T0) ≪1), предполагается, что приближение Буссинеска вычисляет поток, управляемый плавучестью.2.1. Моделирование потока жидкости и теплопередачи внутри системы
Таблица 3 дает описание уравнений непрерывности, импульса, энергии и переноса излучения, которые использовались в трех исследованиях.Gholamalizadeh et al. а также Guo et al. учтено уравнение переноса излучения с использованием модели излучения с дискретными ординатами, в то время как это уравнение не было решено при моделировании Минга. Следует отметить, что пренебрежение радиационной теплопередачей приводит к неверному предсказанию распределения температуры [28]. Сила воздушного потока внутри системы, вызванного плавучестью, измерялась с использованием числа Рэлея. Значение числа Рэлея для SCPP с размерами прототипа Мансанареса выше 10 10 , что показывает, что воздушный поток следует моделировать как турбулентный.Guo et al. и Ming et al. использовали стандартное закрытие турбулентности k-ε, в то время как Gholamalizadeh et al. использовали закрытие турбулентности ренормгруппы (ГСЧ), в котором активировался эффект полной плавучести. Функция масштабируемой стенки используется для моделирования воздействия турбулентного воздушного потока вблизи стенки. Моделирование, проведенное в этом исследовании, использовало закрытие турбулентности ГСЧ, которое может использовать масштабируемые пристеночные функции для захвата пограничного слоя. Основной причиной выбора этого метода было снижение разрешения сетки, поскольку вычислительные затраты на моделирование велики.Многоблочная сетка использовалась для разделения расчетной области, состоящей из трех частей. Для зоны турбины была принята неструктурированная сетка, в том числе призматические инфляционные слои на поверхности турбины, которые захватывали пограничный слой. Сетки доменов до и после турбинной зоны были конструктивными. Для расчетной области были приняты три размера сетки, чтобы получить независимое от сетки решение. Повышение температуры внутри коллектора и массовый расход регистрировались, чтобы получить мелкую сетку.Исследование чувствительности сетки показало, что попытки дальнейшего уточнения сетки никогда не приводили к более чем относительной разнице в 1,5%, в то время как это значительно увеличивало вычислительные затраты. Таким образом, для мелкой сетки была проверена нечувствительность решения к сетке. Для мелкой сетки количество структурной сетки и неструктурированной сетки составляло около 2 280 000 и 5 200 000 соответственно. Моделирование с использованием мелкой сетки было подтверждено сравнением численных результатов с экспериментальными данными SCPP Manzanares [3].При солнечном излучении 850 Вт / м 2 моделирование предсказало падение давления в турбине на 81,5 Па, скорость на входе в дымоход 9 м / с и повышение температуры коллектора на 17,2 К, в то время как согласно По данным измерений, они достигли 80 Па, 8,8 м / с и 17,5 К соответственно.В работе Голамализаде и др. Уравнения неразрывности и импульса были объединены вместе с использованием алгоритма COUPLED, основанного на давлении, в то время как Гуо и др. Использовали алгоритм SIMPLEC, основанный на давлении.Хотя детали алгоритма не были упомянуты в статье Минга и др., Скорее всего, в этой работе был реализован алгоритм, основанный на давлении.
Модель излучения, реализованная Gholamalizadeh et al. и Guo et al. смоделировали несерое излучение для покрытия крыши коллектора как полупрозрачной среды путем моделирования поведения серой полосы. Gholamalizadeh et al. и Guo et al. использовали модель солнечной нагрузки для описания солнечного излучения, попадающего в коллектор, в то время как Ming et al.В своей работе солнечное излучение моделировалось как тепловой поток. Все исследования использовали приближение Буссинеска для реализации силы плавучести через систему.
В таблице 4 показаны граничные условия, использованные в исследованиях. Во всех исследованиях граничные условия на входе и выходе системы задавались как вход под давлением и выход под давлением, соответственно. В Gholamalizadeh et al. и в исследованиях Гуо и др. коллектор был закрыт стеклом с граничным условием конвекции в сочетании с излучением, которое участвует в отслеживании солнечных лучей.Они также смоделировали слой накопителя энергии со свойствами земли. Модель с двухсторонней стенкой связала жидкую и твердую области границы раздела «земля-воздух», а нижняя температура слоя накопления энергии была установлена на постоянное значение, равное температуре окружающей среды. Напротив, слой накопления энергии не моделировался Ming et al. Вместо этого они установили параболическое распределение температуры для земли и поверхностей коллектора в зависимости от радиуса коллектора.Дымоход был смоделирован как адиабатическая труба в Gholamalizadeh et al. и Ming et al., но Guo et al. не упомянул это граничное условие.
2.2. Зона турбины
Как упоминалось ранее, турбина, установленная в основании дымовой трубы прототипа Мансанареса, представляла собой четырехлопастную ветряную турбину с регулируемым давлением и профилем лопастей FX W-151-A [30]. В работе Минга 3-х лопастная ветряная турбина с регулируемым давлением в основании дымовой трубы была реализована с использованием профиля лопасти CLARK Y. Guo et al. также приняла 4-х лопастную ветряную турбину с регулируемым давлением с детальными конструктивными параметрами, использованными в работе Мин.В работе Голамализаде [27] в основании дымовой трубы была смоделирована 4-лопастная ветряная турбина того же профиля, что и прототип Мансанареса (FX W-151-A). На рисунке 2 показана неструктурированная сетка, принятая для турбинной зоны. Во всех исследованиях взаимодействие турбины и дымохода моделировалось с использованием модели множественных систем отсчета (MRF). Модифицированные уравнения движения для компонентов подвижной зоны показаны в таблице 5.2.3. Расчет производительности системы
Во всех исследованиях использовался один и тот же подход для прогнозирования производительности системы.Обратимая мощность ветряной турбины была рассчитана как произведение падения давления в турбине и объемного расхода (Pt, rev = Δpt · Q). Мощность, извлекаемая из вращающегося вала, была рассчитана как Pt = 2πnT / 60. Затем эффективность турбины была предсказана путем деления мощности на валу на обратимое значение мощности на валу (ηt = Pt / Pt, об.).
3. Результаты и обсуждение
Было проведено три различных трехмерных моделирования для прототипа SCPP в Мансанаресе с учетом реальной физической турбины в основании дымохода [27,28,29].Основное различие между моделированием Голамализаде и др. [27] с одной стороны и моделированием, проведенным Гуо и др. [28] и Ming et al. [29] с другой стороны, был профиль лопатки турбины. Gholamalizadeh et al. смоделировал ветряную турбину с таким же профилем лопастей, что и турбина Manzanares SCPP (профиль лопасти FX W-151-A), в то время как профиль лопасти CLARK Y был смоделирован в двух других симуляциях.Кроме того, в своей работе Ming et al. Использовали значительно более упрощенную модель для моделирования теплопередачи внутри коллектора, чем те, которые использовались Gholamalizadeh et al.и Guo et al. Более того, Gholamalizadeh et al. и Guo et al. моделировали 4-лопастную турбину, в то время как Ming et al. смоделировал 3-лопастную турбину. Результаты всех трех моделей сравнивались с установленной мощностью солнечного излучения 800 Вт / м 2 .
На рис. 3 показан массовый расход системы при различных скоростях вращения турбины. Во всех моделях массовый расход уменьшается при увеличении скорости вращения. Эта тенденция показывает, что сила сопротивления значительно увеличивается при увеличении скорости вращения турбины.Также видно, что значения массового расхода, предсказанные Guo et al. немного выше, чем предсказано Голамализаде и др., в то время как модель Минга и др. предсказывает значительно более высокие значения массового расхода. Основная причина этого заключается в том, что турбина в моделировании Минга и др. Имела три лопасти и, следовательно, ее сила сопротивления была ниже по сравнению с 4-лопастными турбинами, моделируемыми в других исследованиях. Следовательно, при меньшем количестве лопаток турбины массовый расход значительно увеличивался.Значения перепада давления на турбине при различных скоростях вращения показаны на рисунке 4. Давление на турбине значительно увеличилось, в то время как скорость вращения турбины была увеличена. Он показал, что при более высокой скорости вращения турбины большая часть выталкивающей силы извлекается для работы ветряной турбины с регулируемым давлением. В прототипе Мансанареса перепад давления на турбине был измерен и составил около 80 Па, когда турбина скорость вращения и солнечное излучение составляли 100 об / мин и 850 Вт / м 2 соответственно.В [27] модель Голамализаде и др. Предсказала падение давления в турбине на 81,5 Па для тех же условий, что хорошо согласуется с данными измерений. Согласно моделированию, проведенному в этом исследовании, модель предсказала падение давления в турбине около 74,9 Па при солнечной освещенности 800 Вт / м 2 . Модель Минга и др. Предсказывала падение давления примерно на 79 Па, и это значение падения давления близко к модели Голамализаде и др. Однако турбина в Ming et al.Модель имела три лопасти, и поэтому следует отметить, что в модели Минга и др. Давление упало бы до более высокого значения, если бы была смоделирована 4-лопастная турбина. Следовательно, учитывая количество лопастей, эта модель завышает перепад давления. МодельGuo et al. Также значительно переоценила падение давления, возникающее в турбине в прототипе Manzanares, с прогнозируемым значением 106 Па. В то время как Guo et al. и Ming et al. смоделировав тот же профиль лопатки, было обнаружено, что профиль лопатки CLARK Y значительно переоценивает значение падения давления на турбине по сравнению с профилем лопатки FX W-151-A, смоделированным в Gholamalizadeh et al.Работа.
Различия в эффективности турбины с частотой вращения турбины показаны на рисунке 5. Gholamalizadeh et al. и Guo et al. предсказал ту же тенденцию для изменения КПД турбины по отношению к скорости вращения турбины. В этих двух исследованиях пиковое значение КПД турбины происходит при частоте вращения от 120 до 130 об / мин. Максимальные значения КПД турбины, предсказанные Gholamalizadeh et al. и Guo et al. были около 0,73 и 0,7 соответственно. Это указывает на то, что 4-лопастная турбина с профилем FX W-151-A имеет немного более высокий КПД, чем турбина с профилем CLARK Y.Напротив, в моделировании Минг и др. КПД турбины постоянно увеличивается при увеличении скорости вращения. КПД турбины также значительно ниже при любой соответствующей скорости вращения турбины по сравнению с другими моделями. Значение КПД турбины увеличивается примерно с 0,11 до 0,35 при изменении скорости вращения от 80 до 180 об / мин. Следовательно, установлено, что установка 3-лопастной турбины не подходит для SCPP с такими же основными размерами, как у прототипа Manzanares, из-за его низкой эффективности.
Рисунок 6 показывает, что выходная мощность имеет тенденцию, аналогичную эффективности турбины во всех моделях. Этот рисунок показывает, что в Gholamalizadeh et al. и Guo et al., максимальная выходная мощность была рассчитана, когда турбина работала с оптимальной скоростью вращения, от 140 до 150 об / мин. Напротив, Ming et al. предсказал тенденцию к увеличению выходной мощности при увеличении скорости вращения турбины. Кроме того, выходная мощность, предсказанная Ming et al. значительно ниже, чем у двух других моделей.4. Выводы
В этой статье основное внимание уделяется влияниям, влияющим на моделирование реальной ветряной турбины и прогнозам производительности солнечной дымоходной электростанции. На сегодняшний день три различных исследования, проведенных Голамализаде и др., Гуо и др. И Мингом и др. смоделировали солнечную дымоходную электростанцию с основными размерами в виде прототипа Мансанареса, соединенного с реальной ветряной турбиной с использованием методов CFD. Основное несоответствие между моделью турбины Голамализаде и др. И моделями Го и др., и Ming et al. был профиль турбины. Gholamalizadeh et al. использовали профиль лопасти FX W-151-A (тот же профиль, что и у турбины Manzanares SCPP), в то время как профиль лопасти CLARK Y был смоделирован Guo et al. и Ming et al.
В этом исследовании было проведено трехмерное моделирование прототипа Мансанареса, соединенного с 4-лопастной ветряной турбиной с профилем лопастей FX W-151-A, используемым в модели Голамализаде и др.
