Метод форсирования горизонтально осевых ветровых турбин использует энергию набегающего потока

Эффективность предлагаемого метода модификации (иначе, форсирования) роторов, использующих энергию набегающего воздушного потока, подтверждают независимые эксперты, хоть это и идет  вразрез с общепринятыми методиками.

В данной статье рассматривается форсированная горизонтально осевая ветровая турбина, лопасти которой в своей комлевой части находятся в закритической, по углам притекания потока, иначе, в срывной, зоне обтекания. Этот режим достигается путем уменьшения угла относительной закрученности сечений лопасти на определенную величину. Установив по передней кромке комля такой лопасти предкрылок (дефлектор), можно использовать закритический режим обтекания потоком, ламинируя его.

Применение метода форсирования горизонтально осевой ветровой турбины позволяет получить дополнительный импульс по направлению ее вращения с целью увеличения крутящего момента. Это допущение можно обосновать, следуя теории лопасти: чем больше отклонение потока за каждым сечением лопасти, тем больше движущая сила ветровой турбины в целом.

В пользу метода форсирования ветровых турбин с горизонтальной осью вращения свидетельствует определение из теории Беца – Жуковского - максимальный коэффициент полезного действия ветровой турбины (предел Беца - Жуковского, равный 59,3 %), достигается, когда скорость воздушного потока за ветровой турбиной становится в три раза ниже скорости воздушного потока перед ветровой турбиной. Достижению максимального приближения к пределу Беца - Жуковского способствует применение предкрылка (дефлектора): по принципу своего действия он отклоняет (тормозит) ветровой поток за турбиной, более, чем любое из известных устройств, применяемых в прототипе.

Какую пользу это может принести?

В каждом конкретном случае необходимо сравнение с прототипом. В зависимости от диаметра ротора и, соответственно, геометрической закрученности лопастей, диапазон исследуемой зоны комля может варьироваться, по оценкам, в пределах 20% - 70% от всей длины лопасти. Автор полагает, что применение такой методики форсирования позволит получить дополнительный импульс по направлению вращения ветротурбины, который благотворно скажется на условиях работы лопастей в каждом их сечении. Что в свою очередь даст увеличение крутящего момента и угловой скорости вращения ветротурбины в названном ниже для примера диапазоне ветров вплоть до достижения ветроэнергетической установки (ВЭУ) номинальной (проектной) выходной мощности. Это допущение можно обосновать, следуя теории лопасти: чем больше отклонение потока за каждым сечением лопасти, тем больше движущая сила турбины в целом.

Экономический эффект

Допустим, прототип ВЭУ выходит на проектную мощность при скорости ветра 13 м/с. Скорость ветра, при котором возможно вращение ветротурбины -4 м/с. Так вот, в этом диапазоне ветров, применяя модифицированную ветровую турбину, мы получим прирост выходной мощности ВЭУ около 10-15%% (по самым осторожным оценкам) в каждый момент времени по сравнению с тем, что бы мы имели, используя прежнюю модель ветровой турбины. Запуск ветротурбины станет возможным уже при 3,5 м/с.
Кроме этого, выход на проектную мощность ВЭУ с модифицированной ветровой турбиной будет осуществляться уже при скорости ветра 10-11 м/с (против 13 м/с у прототипа).

По такому алгоритму предполагается снижение любой скорости ветра, заявленной разработчиком ВЭУ (выбранной в качестве прототипа).

Описание чертежей

Фиг.1 Возрастание эффективности ВЭУ посредством применения форсированной ветровой турбины на примере графика «мощность – ветер» P = ƒ (V):

-•-•-•-•-•-• - для выбранного прототипа ветровой турбины;
────── - для форсированной ветровой турбины,
где:

V01 – начальная скорость ветра форсированной ветровой турбины;

V02 – начальная скорость ветра прототипа ветровой турбины;

Vном1 – номинальная скорость ветра форсированной ветровой турбины;

Vном2 – номинальная скорость ветра прототипа ветровой турбины;

Vί – произвольно выбранная скорость ветра в диапазоне между V02 и Vном1.

Представлена графическая интерпретация ожидаемого эффекта, состоящего в приросте выходной мощности на величину ΔР в каждый момент времени, по отношению к прототипу.

По достижении ВЭУ номинальной выходной мощности Рном вступает в действие программа ограничения угловой скорости вращения ветровой турбины, аналогичная прототипу.

Фиг.2 Варианты исполнения лопасти форсированной ветровой турбины, где:

1 – лопасть;

2 – предкрылок;

β - угол относительной закрученности сечений лопасти и предкрылка:
-•-•-•-•-•-• - для лопасти прототипа;
────── - для лопасти форсированной ветровой турбины;
─ ─ ─ ─ ─ - для предкрылка лопасти форсированной ветровой турбины.

I – вариант исполнения лопасти форсированной ветровой турбины со скачкообразным переходом по углам относительной закрученности сечений лопасти от комля к перу.
II - вариант исполнения лопасти форсированной ветровой турбины с наличием участка интегрированного перехода от комля к перу.
Заштрихованный участок – перо лопасти.

У форсированной ветровой турбины угол относительной закрученности сечений лопастей β на величину Δβ меньше, чем у прототипа.

Примечание к фиг.2: Отношение OX/OL (где OX – комлевая часть, обслуживаемая предкрылком, OL – общая длина лопасти) тем больше, чем больше угол относительной закрученности лопасти ветровой турбины выбранного прототипа.

Осуществление метода форсирования горизонтально осевой ветровой тубины

Величина Δβ, на которую следует уменьшить угол относительной закрученности сечений лопасти форсированной горизонтально осевой ветровой турбины, может быть определена расчетным или эмпирическим путем, на основе анализа поляры выбранного аэродинамического профиля, с предкрылком и без него, с тем, чтобы вывести комель лопасти в диапазон закритических углов притекания воздушного потока.
Лопасть форсированной горизонтально осевой ветровой турбины может быть выполнена в варианте с интегрированным участком перехода от комля к перу, а также в варианте со скачкообразным, по углу относительной закрученности сечений, переходом от комля к перу.

В частном случае предкрылок может быть установлен по передней кромке лопасти форсированной ветровой турбины по всей ее длине, для упрощения технологии производства или по конструктивной необходимости. В этом случае отношение OX/OL равно 1.
Эффективность предлагаемого метода модификации (иначе, форсирования) роторов, использующих энергию набегающего воздушного потока, подтверждена независимыми экспертами, в их числе – КБ вертолетостроения им. Миля (г.Москва), Национальная лаборатория возобновляемой энергии (США).

Автор предвидит возражения оппонентов: мол, достаточно удлинить лопасти и получить искомый результат. На первый взгляд, очевидное решение. Но это все равно, что из пушки по воробьям… Во-первых, есть предел удлинению лопастей. Во-вторых, всегда есть возможность априори повысить эффективность роторов любых диаметров. Данное изобретение особенно экономически выгодно применять именно для больших роторов. Вплоть до того, что можно использовать предкрылок (иначе, дефлектор) по всей передней кромке лопасти; при этом отсечь остающуюся «чистую» часть лопасти, для упрощения технологии производства.

Автор: Сергей  Кобка