Новый ротор ветровой турбины. Лучшее изобретение в ветроэнергетике Название компании - Izosimov Windrotor
translation into English
Главная
Справочник ветра
Контакт
ЧаВо
Полная статья 1 часть
Полная статья 2 часть

Страница
обновлена
04.10.2010



Наиболее часто задаваемые вопросы:

?? В различных источниках информации по ветроэнергетике говорится о теоретически максимально возможном коэффициенте преобразования энергии ветра, равном 59,3 %.
В Вашей статье Вы указываете число 68,6 %, откуда оно и чем обосновано?


?? Теории и практике ветровой энергетики уже много лет. Почему вы думаете,
что ваша идея не пришла кому-нибудь в голову раньше?


?? Проверяли ли вы свою идею практически, например, на уменьшенной модели?

?? Насколько точны аэродинамические расчёты на Вашем сайте,
и можно ли их использовать для полного расчёта реального ротора?


?? Почему вы выбрали конкретный диаметр ротора 240 м и конкретную мощность 120 МВт?

?? Ваш ротор диаметром 240 м имеет узел, к которому крепятся лопасти, диаметром 10 м.
Вы представляете себе такую конструкцию? И не слишком ли мал диаметр лопасти
в месте присоединения к узлу – 3,5 м для такого большого диаметра ротора?


?? Увеличение номинальной скорости ветра для каждой турбины увеличит неравномерность получаемой мощности и уменьшит коэффициент загрузки линий электропередач и силовых кабелей. Что вы об этом думаете?

?? В предложенных Вами аэродинамических расчётах есть параметр «А».
Что он означает и откуда взята формула вычисления параметра «е»?


?? Я живу в местности с большой ветровой активностью и планирую установить собственный небольшой ветрогенератор. Могу ли я воспользоваться Вашими расчётами
для определения его эффективности?


?? Есть ли спонсоры у компании Izosimov Windrotor?

?? Интересует ли автора сайта партнёрская программа с другими сайтами?





***  Вопрос:  *** В различных источниках информации по ветроэнергетике говорится о теоретически максимально возможном коэффициенте преобразования энергии ветра, равном 59,3 %. В Вашей статье Вы указываете число 68,6 %, откуда оно и чем обосновано?

Ответ: Значение 59,3 % - результат теории ветряных двигателей, предложенной А. Бетзом в двадцатых годах прошлого века. Основные положения этой теории используются до сих пор. Однако, советский учёный – профессор Г. Х. Сабинин (ученик профессора Н. Е. Жуковского) в 1931 году предложил свою более точную теорию, в которой доказал наличие так называемой «присоединённой массы». Эта теория увеличивает указанное выше значение до 68,6 %. Мне удалось адаптировать теорию и формулы
Г. Х. Сабинина к современным возможностям. Я предлагаю расчёты, соответ-
ствующие его более точной теории. Для тех, кто хочет найти первоисточник: * Г. Х. Сабинин, «Теория и аэродинамический расчёт ветряных двигателей», сборник ВСНХ СССР «Труды научно-исследовательских институтов промышленности» № 482, Центральный Аэро-Гидродинамический Институт (ЦАГИ), Выпуск 104. Тема – Проблема использования энергии ветра. Государственное научно-техническое издательство, Москва, Ленинград, 1931, 70 страниц. *

Наверх

***  Вопрос:  *** Теории и практике ветровой энергетики уже много лет. Почему вы думаете, что ваша идея не пришла кому-нибудь в голову раньше?

Ответ: Попытки исследовать многолопастные роторы проводились ещё в 30-х годах прошлого века. Однако проведению точных сравнительных расчётов мешало отсутствие компьютеров, сложность вычислений и связанные с этим сокращения формул, упрощения вычислений и дополнительные погрешности из-за недостаточной оптимизации полученных параметров. Эксперименталь-ные данные показывали очень небольшой выигрыш в коэффициенте использования энергии ветра многолопастных конструкций, что объясняется их малыми размерами, а значит и малой величиной числа Рейнольдса.
При переходе от 3-лопастной конструкции к многолопастной скорость вращения ротора уменьшалась вместе с уменьшением числа Рейнольдса.
Это повышало коэффициент трения профиля лопасти, ухудшая аэродинамическое качество и уменьшая общий выигрыш.

В результате недоучёта уменьшения числа Рейнольдса, разработчики пришли к выводу, что коэффициент использования энергии ветра ротора не зависит от количества лопастей и достаточным будет наличие 2 – 3 лопастей для любых размеров роторов. Многолопастные конструкции с простыми дешёвыми лопастями, учитывая их значительно больший начальный момент вращения, решили использовать только в качестве ветряных мельниц и насосов подкач-ки воды. Этот подход настолько укоренился и стал непререкаемым и классическим, что оспорить его решались очень редкие разработчики. Современные лопасти больших роторов имеют числа Рейнольдса на много превышающие критическое число, поэтому, небольшое уменьшение ширины лопастей и скорости вращения ротора к ухудшению аэродинамического качества из-за уменьшения числа Рейнольдса не приведёт. Как результат, уменьшение скорости вращения и другие факторы, приведённые в статье, включая влияние наружного и промежуточного колец, определят заметный выигрыш в коэффициенте использования энергии ветра и сборе энергии.

Другой причиной относительной пассивности изобретателей является сложность теории ротора, сложность аэродинамических расчётов и приближённость достигнутого на практике коэффициента использования энергии ветра (40 – 46%) к ошибочно принятому за идеальный предел значению 59,3%, вместо реального предела 68,6%.

Одной из причин недооценки идеи также является существовавший до сих пор более простой способ повышения мощности турбины – увеличение диаметра 3-лопастного ротора только за счёт удлинения лопастей. Однако так не могло продолжаться бесконечно, поскольку вес и стоимость лопастей имеет от их длины почти кубическую зависимость, а мощность ротора - только квадратичную. Поэтому, моя идея имеет преимущества только для очень больших роторов. Даже в 90-е годы прошлого века размеры
3-лопастных роторов ещё не достигли пределов их возможностей, и моя идея была преждевременной.

Наверх

***  Вопрос:  ***Проверяли ли вы свою идею практически, например,
на уменьшенной модели?

Ответ: Нет, не проверял. Высокий коэффициент преобразования энергии ветра в моей конструкции будет только в случае больших размеров ротора, когда число Рейнольдса большое. Это число уменьшается с уменьшением размеров ротора. При диаметре ротора 240 м и 8 лопастях, при скорости ветра 14 м/с и быстроходности Z = 6,2 для наружного края лопасти оно равно 15 миллионов. Если оставить остальные параметры без изменения и уменьшить диаметр конструкции до 3 м (для продувки в аэродинамической трубе), то число Рейнольдса уменьшится до 190 000, что значительно меньше критического числа. Для сравнительной проверки уменьшенной модели при сохранении относительно низкого коэффициента трения необходимо, чтобы число Рейнольдса оставалось значительно выше критического числа (300 000 – 400 000). Это означает, что диаметр модели должен быть больше 6 метров. Число Рейнольдса можно также увеличить, увеличивая скорость потока (сохраняя число модулей Z), однако это приведёт к резкому увеличению потерь трения и резкому увеличению нагрузки на конструкцию из-за кубической зависимости мощности от скорости потока. При этом увеличатся погрешности сравнения, обусловленные приближением окружной скорости к скорости звука.

Разумеется, я понимаю необходимость аэродинамической и прочностной проверки модели, однако для постройки ротора диаметром более 6 метров
и его продувки в аэродинамической трубе у меня нет средств. Кроме того, аэродинамический расчёт необходимо проводить для семейства профилей, предназначенного для работы с уменьшенными числами Рейнольдса. Параметры таких профилей ещё нужно найти. После этого необходимо выразить зависимости коэффициентов каждого из профилей семейства от угла «α» в виде формул приближения и провести расчёты. Если найдётся заинтересованная в создании и проверке модели организация
– я готов в этом участвовать.

Наверх

***  Вопрос:  *** Насколько точны аэродинамические расчёты на Вашем сайте, и можно ли их использовать для полного расчёта реального ротора?

Ответ: Методика аэродинамических расчётов, предложенная на этом сайте, на мой взгляд, одна из самых точных из всех существующих.

Однако, предложенные расчёты (не методика) имеют существенный недостаток – в них использованы аэродинамические характеристики семейства профилей, не учитывающие их большое изменение с изменением числа Рейнольдса. В результате – погрешность вычислений слишком велика для реального применения. Эти расчёты – только упрощённый для наглядности пример использования методики, и их цель – показать преимущества новой конструкции.

Для проведения точных расчётов реального ротора необходимо сначала выбрать семейство профилей, наиболее подходящее для среднего числа Рейнольдса рассчитываемого ротора. Основной критерий выбора – максимум наилучшего значения коэффициента аэродинамического качества при достаточно широком диапазоне углов атаки (минимум 1 – 2 градуса).

Следующий этап точных расчётов – получение аэродинамических характеристик для каждого из профилей семейства для каждой скорости ветра при реальных числах Рейнольдса с последующей аппроксимацией этих характеристик формулами. Далее расчёты продолжаются по указанной методике. Сложность увеличивается из-за того, что заранее неизвестны реальные числа Рейнольдса, поэтому, иногда приходится пересчитывать характеристики заново.

Информация для тех, кто планирует использовать в роторе наружное кольцо. В расчётах, прилагаемых ко второй части статьи, при подсчёте потерь торможения ротора из-за наружного кольца я допустил ошибку (тексты обеих частей статьи останутся без изменений), значительно их переоценив.
Я не учёл, что величина Cx кольца сильно уменьшится из-за того, что,
во-первых, его относительная толщина уменьшится для ветра в корень из
(Z2 + 1) раз (косое обтекание кольца), во-вторых, на такую же величину увеличится число Рейнольдса наружного кольца.

В мае 2009 я сделал аэродинамический расчёт уменьшенной (диаметр 4 м) модели ротора моей конструкции для её изготовления и продувки в аэродинамической трубе.

Её основные расчётные параметры: - число Рейнольдса 250 000 – 420 000;
- семейство профилей – модификации профиля FX 63-137 с относительной толщиной от 8 % до 29 %; - ширина каждой из 8 лопастей меняется от 10,63 до 25 см; - число модулей Z = 3,8 (3,24 - 5); - число оборотов в секунду
nc = 4,38; - ширина наружного симметричного кольца 10 см, толщина – 2 см.
Расчёт произведён для скоростей ветра 11 – 17 м/с. Выбор профиля, его модификации и получение характеристик семейства проводились с помощью программы XFLR5, а файлы координат для выбора были взяты из сайтов Университета в Иллинойсе, американской национальной лаборатории возобновляемой энергии и других (Отдельное спасибо создателям программы и авторам публикации координат профилей).

Полученный теоретически и ожидаемый при продувке результат: коэффициент использования энергии ветра Cp = 62,3 % при скорости ветра 14,5 м/с даже при таких низких числах Рейнольдса. Цели продувки модели - практическое доказательство эффективности новой конструкции, точности методики расчётов и ошибочности закона Бетза.

Учитывая, что далеко не везде есть возможность тестирования модели диаметром 4 м, я рассчитал второй вариант модели диаметром 2 м.
В отличие от первого варианта: - ширина каждой из 8 лопастей меняется от 5,22 до 12,5 см; - число оборотов в секунду nc = 17,52; - ширина наружного симметричного кольца 5 см, толщина – 1 см. Расчёт произведён для скорос-
тей ветра 20 - 35 м/с для сохранения числа Рейнольдса в тех же пределах. Расчётный Cp = 62,3 % при скорости ветра 29 м/с.

Если найдутся организации, желающие изготовить модель и протестировать её в аэродинамической трубе – все необходимые исходные данные, материалы расчётов и их результаты я готов предоставить. При публикации результатов тестирования ссылка на моё авторство расчётов и мой сайт обязательны.

Наверх

***  Вопрос:  *** Почему вы выбрали конкретный диаметр ротора 240 м
и конкретную мощность 120 МВт?

Ответ: Диаметр ротора 240 м выбран как максимальный при сохранении технической приемлемости и относительно небольших затрат при изготовлении и транспортировке составных частей ротора для варианта, когда ротор имеет только одно промежуточное кольцо. Мощность 120 МВт оптимизирована для выбранных размеров ротора. При осуществлении идеи каждая компания может выбрать свои варианты размеров и мощности ротора.



***  Вопрос:  *** Ваш ротор диаметром 240 м имеет узел, к которому кре-пятся лопасти, диаметром 10 м. Вы представляете себе такую конструкцию? И не слишком ли мал диаметр лопасти в месте присоединения к узлу – 3,5 м для такого большого диаметра ротора?

Ответ: Если лопасть в месте соединения с узлом укрепить, увеличив толщину её оболочки, то диаметра 3,5 м должно быть достаточно.
Диаметр узла, если необходимо, можно уменьшить, применив для каждой лопасти стальные удлинители в виде конусных труб с фланцевыми соединениями на концах. Такие удлинители крепятся при монтаже ротора. Например, если выбрать малый диаметр конуса 2 м, большой диаметр конуса 4 м и длину конуса 2,6 м, то диаметр узла уменьшится до 5,2 м, диаметр лопасти в месте крепления увеличится до 4 м, а её длина сократится.
В таком удлинителе можно поместить устройство поворота лопасти и соответствующий подшипник. В этом случае большой диаметр удлинителя сможет поворачиваться по оси конуса относительно малого диаметра.

Наверх

***  Вопрос:  *** Увеличение номинальной скорости ветра для каждой турбины увеличит неравномерность получаемой мощности и уменьшит коэффициент загрузки линий электропередач и силовых кабелей.
Что вы об этом думаете?

Ответ: Да, коэффициент загрузки линий электропередач уменьшится, однако длина тех же силовых кабелей сократится благодаря уменьшению количества турбин и уменьшению площадей электростанций при одинаковых мощностях. Неравномерность получаемой мощности возрастёт незначительно, учитывая группирование турбин в электростанции и сглаживание благодаря этому кратковременных пиков мощности. Говоря о долговременной неравномерности, известно, что уже сейчас существует необходимость в энерго-накопительных станциях, связанная не столько с неравномерностью производства электроэнергии, сколько с неравномерностью её суточного расходования. Такие станции будут устранять неравномерности, дополнительно способствуя увеличению допустимой доли ветровой энергии в её общем объеме. Задача, поставленная перед ветровыми электростанциями, будет заключаться в более полном «сборе урожая» ветровой мощности. С этой задачей наилучшим образом справятся предлагаемые турбины.



***  Вопрос:  *** В предложенных Вами аэродинамических расчётах есть параметр «А». Что он означает и откуда взята формула вычисления параметра «е»?

Ответ: Параметр «А» является вспомогательным. Он группирует все комбинации использования параметра «е» в формуле b = f (Cy, Cx, Zu, e, i, r), где b – ширина элемента лопасти, Cy, Cx, Zu, e – аэродинамические пара-
метры, i – количество лопастей, r - удаление элемента лопасти от центра.
В расчётах удобнее находить А = f (Cy, Cx, Zu, i, b, r), а затем найти е = f (А). Уравнение А = е/(1+е)/(1-е)2 преобразуется в е3 – е2 – (1 + 1/А)е + 1 = 0 и решается по формуле Кардано (приводится в математических справочниках). Результат решения – формула в ячейках «е» в расчётах прилагаемых к статье.

Наверх

***  Вопрос:  *** Я живу в местности с большой ветровой активностью и планирую установить собственный небольшой ветрогенератор. Могу ли я воспользоваться Вашими расчётами для определения его эффективности?

Ответ: Да, можете. Для этого Вам необходимо узнать, например, на ближайшей метеостанции ветровую характеристику вашей местности (среднегодовую скорость и параметр Weibull K), а также параметры конкретного ветрогенератора, подставить их в расчётную таблицу и подсчитать годовой сбор полученной энергии. Точность расчёта зависит от соответствия входных данных реальным значениям. Зная стоимость ветрогенератора и срок его службы можно подсчитать стоимость каждого полученного киловатта. После этого можно судить об его эффективности.
При экспериментах с таблицей Excel не забудьте, что при некоторых ваших действиях может сброситься настройка циклических ссылок таблицы Excel. Для их восстановления необходимо открыть таблицу, в строке меню нажать «сервис», затем найти и нажать «параметры», найти и нажать «вычисления». В этом окне включить «итерации» и установить значения «предельное число итераций» 100, погрешность – 0,000001.



***  Вопрос:  *** Есть ли спонсоры у компании Izosimov Windrotor?

Ответ: Компания Izosimov Windrotor (windrotor.info) является независимой
от внешних программ, не имеет внешнего финансирования и осуществляет исследования, расчёты, патентование, лицензирование и другую деятельность за собственные средства. Потенциальных спонсоров мы можем заинтересовать либо их рекламой на этом сайте, либо льготным лицензированием предлагаемой на сайте идеи (после получения международных патентов). Возможны и другие варианты.

Наверх

***  Вопрос:  *** Интересует ли автора сайта партнёрская программа
с другими сайтами?

Ответ: Да, интересует. Я хотел бы, чтобы на других сайтах по ветроэнерге-
тике были ссылки на этот сайт. Это могут быть ссылки на страницах «связи» и/или в сообщениях (желательно с резюме) на страницах новостей. Взамен я мог бы добавить ссылки об этих сайтах на своей странице «связи»,
а возможно и разместить баннеры. Страница новостей на этом сайте не планируется.



При возникновении вопросов и предложений – обращайтесь через контактную страницу сайта.