Автор: Яновский Захар Сергеевич, возраст: 15 лет.
Место учебы: Крупская районная гимназия.
Город, регион: Крупки, Беларусь.
Руководитель Поветко Григорий Николаевич, Крупская районная гимназия.
Историко-исследовательская работа " Особенности конструкции концентратора воздушного потока для ветроэлектростанций"
План:
Введение
Выбор способа измерения скорости воздуха
Обоснование предлагаемой схемы концентратора воздушного потока
Расчет аэростатической подъемной силы и определение размеров модели
Выводы
Список использованных источников
Введение
Прототипом воздушного шара были мыльные пузыри, а самолёта - воздушные змеи. С развитием науки люди поняли, что полёт возможен при движении крыла в воздухе с определённой скоростью. Сегодня крылья используются не только в авиастроении, но и в ветроэнергетике. При этом все большее внимание уделяется развитию высокоэффективных методов отбора энергии из ветрового потока. Решение этой задачи приводит к созданию аэродинамических компоновок ветроэнергетических установок (ВЭУ), состоящих из концентратора воздушного потока (КВП) и ветротурбины (ВТ). Целесообразность КПВ определяется тем, что они повышают скорость потока и увеличивают выходную мощность ВЭУ, так как мощность ветра пропорциональна третьей степени его скорости.
Современные модели ВЭУ становятся эффективными, когда скорость ветра превышает 25 км/ч (6,9 м/с). Однако в нашей местности ветер дует с непостоянной скоростью и её среднегодовая величина составляет 4-4,5 м/c. В то же время скорость ветра зависит от высоты. Поэтому оси вращения ветророторов располагают на 80-100 метров и более над поверхностью земли.
Выдвинув гипотезу о том, что при использовании крыльев определенного профиля возможно добиться увеличения скорости воздушного потока, мы поставили цель сконструировать ВЭУ, компоновка которой основана на аэродинамических свойствах крыльев и обеспечивает подъем модели на рабочую высоту за счет аэростатического эффекта.
Для достижения этой цели мы должны были решить следующие задачи:
1. Проанализировать варианты использования аэродинамических свойств крыльев в ветроэнергетике и обосновать выбор предлагаемой схемы КВП.
2. Сконструировать модель ВЭУ с КВП, способную подниматься в соответствии с законами аэростатики.
3. Изготовить модель предлагаемой конструкции и проверить ее работоспособность в лабораторных условиях.
Выбор способа измерения скорости воздуха
Измерение скоростей производится разного рода приборами, например, трубками, флюгерами. Наиболее простым прибором является трубка Пито, передающая на микроманометр полное динамическое давление текущего газа или жидкости (р0). Для измерения статического давления (р) к трубке Пито добавляется вторая трубка-зонд. Скорость в газе или жидкости после двух измерений давлений этими трубками рассчитывается по формуле U2=2•(p0-p)/p. Для более оперативного и наглядного измерения скорости воздушного потока в качестве флюгера мы применили вентилятор от компьютера. Это устройство имеет встроенный привод в виде электродвигателя постоянного тока. В нашем случае этот электродвигатель работает в режиме электрогенератора. Зависимость величины вырабатываемого им тока от скорости проходящего через лопасти воздуха показана в приложениях 1, 2. Из них следует, что измеренная миллиамперметром величина тока в 1 мА соответствует скорости воздушного потока в 4,8±0,5 м/с и прибор работает стабильно при скорости выше 7 м/с. При испытаниях использовали воздушный поток, создаваемый бытовым вентилятором. Скорость такого потока, вычисленная по измеренному микроманометром давлению, оказалась равной 4-6 м/с. Для более точного и наглядного измерения скорости к крыльчатке куллера мы приклеили четырёхлопастный пропеллер из картона. Путем сравнения показания такого анемометра с показаниями спидометра в автомобиле установили, что при 20 км/час (5,6 м/с) прибор показывает ток в 0,5 мА, а при 35 км/час (9,7 м/с) - 1,3 мА.
Обоснование предлагаемой схемы концентратора воздушного потока
Изучение реальных аэродинамических процессов и их моделирование применяется не только в авиации, но и во многих отраслях, в том числе и в ветроэнергетике. Длина лопастей современных ветрогенераторов мощностью 1 МВт составляет около 50 м. При больших скоростях ветра такие лопасти начнут дрожать и ломаться, если им не придать профиль, аналогичный профилю крыла. В отличие от крыла самолета, которое движется навстречу воздуху, лопасть ветряка вращается, поэтому относительная скорость ветра различна для областей лопасти вблизи и вдалеке от оси вращения. По этой причине профиль лопасти современных ветряков закрученный (винтовой), а не постоянный, как у крыла самолёта.
Теория возникновения подъёмной силы крыла предполагает наличие разницы в скоростях потока над и под крылом и, как следствие, различия давлений на его верхней и нижней стороне. Для улучшения работы ветрогенераторов нами были сконструированы экраны, имеющие форму крыла. Было установлено, что модель такого устройства с профилем «Эпплер Е-385» при длине хорды 240 мм и скорости воздушного потока 5,7 м/с обеспечила его увеличение до 8,5 м/с или на 49%. Задумавшись о практическом применении эффекта увеличения скорости воздушного потока по схеме «двойное крыло», мы пришли к выводу, что размещение ветроустановок между плоскими крыльями будет неудобным, а увеличение скорости на 49 % еще не предел. Использовав профиль крыла «Эпплер Е-385», мы построили модель концентратора воздушного потока в виде кольца, стенки которого имеют соответствующую форму в продольном сечении длиной 240 мм (как и хорда плоского крыла)- КВП-1 (фото 1).
Фото 1. Модель концентратора воздушного потока «Кольцевое крыло»
При изготовлении нашей модели была использована технология выполнения объемных судомоделей путём заполнения корпуса строительной пеной.
Путем измерения скорости воздушного потока в одной и той же точке без и с КВП, мы установили, что в такой конструкции за счет повышения скорости воздуха величина тока, вырабатываемого куллером, возросла скорости с 0,5 до 0,85 мА, или в 1,7 раза.
Таблица 1
результаты измерения тока, вырабатываемого кулером, установленным в модели “кольцевое крыло”
|
Вариант
измерения
|
Показатели миллиамперметра через равные промежутки времени
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
Средний
Показатель, мА
|
|
1
|
1.5
|
0.5
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1.2
|
0.8
|
1
|
1.5
|
1.5
|
0.5
|
0.8
|
|
2
|
1
|
0.7
|
0.5
|
0.4
|
1
|
0.5
|
0.7
|
1.3
|
0.7
|
1
|
0.9
|
1.3
|
1.04
|
|
3
|
0.5
|
0.7
|
1
|
0.6
|
1.1
|
1
|
0.9
|
1
|
0.8
|
0.5
|
0.3
|
0.5
|
0.7
|
|
Общий средний показатель
|
|
0.85
|
Предположив, что эффективность работы КВП будет зависеть от формы его наружной поверхности, мы скопировали форму внутренних стенок КВП-1 и изготовили еще 3 варианта:
- КВП-2 с тонкими стенками (фото 2)
- КВП-3 с цилиндрической наружной поверхностью (фото 3)
- КВП-4 с каплеобразной наружной поверхностью (фото 4)
Фото 2. Модель концентратора воздушного потока с тонкими стенками
Фото 3. Модель КВП с цилиндрической наружной поверхностью
Фото 4. Модель КВП с каплеобразной наружной поверхностью
Таблица 2
результаты измерения тока, вырабатываемого кулером, установленным в модели с тонкими стенками
|
Вариант
измерения
|
Показатели миллиамперметра через равные промежутки времени
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
Средний показатель, мА
|
|
1
|
1.5
|
1.4
|
1.6
|
1.4
|
1.7
|
1
|
1.5
|
1.3
|
1
|
1.5
|
1
|
1.5
|
1.36
|
|
2
|
1.5
|
1.5
|
1.5
|
1
|
0.5
|
0.8
|
1.1
|
1
|
1.5
|
1.3
|
1
|
1
|
1.01
|
|
3
|
1.4
|
1
|
1
|
0.6
|
0.7
|
1
|
1
|
0.8
|
0.9
|
0.9
|
0.9
|
0.7
|
0.9
|
|
Общий средний показатель
|
|
1.09
|
Таблица 3
результаты измерения тока, вырабатываемого кулером, в модели с цилиндрической наружной поверхностью
|
Вариант измерения
|
Показатели миллиамперметра через равные промежутки времени
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
Средний показатель, мА
|
|
1
|
0.7
|
1
|
1.5
|
1.3
|
1
|
1.5
|
1
|
0.8
|
0.5
|
0.7
|
0.5
|
0.5
|
0.9
|
|
2
|
1
|
1.5
|
1.3
|
1.5
|
1.5
|
1.3
|
1
|
1
|
0.5
|
0.7
|
0.5
|
1
|
1.1
|
|
3
|
0.5
|
0.6
|
0.5
|
0.7
|
1
|
0.5
|
0.8
|
1
|
1.5
|
1
|
1
|
0.7
|
0.8
|
|
Общий средний показатель
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0.9
|
Таблица 4
результаты измерения тока, вырабатываемого куллером, установленным в модели с каплеобразной наружной поверхностью
|
Вариант
измерения
|
Показатели миллиамперметра через равные промежутки времени
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
Средний показатель, мА
|
|
1
|
1
|
1
|
0.5
|
0.7
|
0.5
|
0.5
|
1
|
1.5
|
1.5
|
1.4
|
0.6
|
0.8
|
0.92
|
|
2
|
0.5
|
1
|
1.3
|
0.7
|
0.8
|
0.5
|
0.9
|
1
|
1.3
|
0.9
|
1
|
0.3
|
0.86
|
|
3
|
0.5
|
1
|
1.1
|
0.9
|
0.7
|
1
|
0.5
|
0.4
|
1
|
0.5
|
0.5
|
0.7
|
0.73
|
|
Общий средний показатель
|
|
0.83
|
Результаты измерения тока, вырабатываемым куллером, расположенным внутри моделей, представлены в таблицах 2, 3 и 4. Из них следует, что наибольшее увеличение тока-в 2,2 раза - обеспечивает конструкция по варианту 2 - модель КПВ с тонкими стенками. По нашему мнению ее стенки, имеющие чашеобразную форму, способствуют образованию воздушных вихрей, что приводит к снижению давления снаружи и в конце устройства. Вместе с тем полученные результаты не соответствовали решению нашей задачи о подъеме модели за счет создания аэростатической подъемной силы. Ведь для этого конструкция должна иметь максимально возможный объем для наполнения его легким газом. Основываясь на предположении о влиянии вихрей, мы изменили форму каплеобразной поверхности варианта КВП-4, добавив к ней кольцеобразный завихритель или “гребешок” (фото 5). Испытания показали, что в “модернизированном” варианте КВП-4 с “гребешком” величина вырабатываемого куллером тока увеличивается уже в 2,6 раза. Так как мощность электрического тока равна произведению сопротивления на ток в квадрате, можно утверждать, что мощность модели ВЭУ с КПВ-4 увеличивается в 6.8 раза.
Фото 5. Модель КВП с “гребешком”
Таблица 5
результаты измерения тока, вырабатываемого кулером, установленным в модели с каплеобразной наружной поверхностью с «гребешком»
|
Вариант измерения
|
Показатели миллиамперметра через равные промежутки времени
|
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
Средний показатель, мА
|
|
1
|
1.2
|
1
|
1.2
|
1.5
|
1.6
|
1.6
|
1.7
|
1.6
|
1.6
|
1.6
|
1.6
|
1.6
|
1.48
|
|
2
|
1
|
1.5
|
1
|
1
|
1
|
1.9
|
1.7
|
1.5
|
1
|
0.5
|
1.5
|
1
|
1.21
|
|
3
|
1
|
1
|
1.5
|
1.2
|
1.5
|
1.3
|
1
|
1
|
1.5
|
1.9
|
1.5
|
1
|
1.28
|
|
Общий средний показатель
|
|
1.32
|
Результаты, приведенные в таблице 5, получены при высоте “гребешка“ равной 60 мм. До этого мы измеряли скорость при больших значениях высоты – 120 и 90 мм, однако наивысший результат получен именно при 60 мм. Измерив нашим электрофлюгером величину тока при различных положениях «гребешка», мы установили, что его максимальная величина достигается при угле в 60°, а минимальная – при 0-15°. Эти результаты приведены в таблице 6. Считаем, что при использовании в конструкции КВП механизма наклона «гребешка» будет возможно регулировать (стабилизировать) скорость внутреннего воздушного потока при порывистом ветре.
Таблица 6
результаты измерений тока, вырабатываемого кулером в КВП с каплеобразными стенками с “гребешком” при различных углах его наклона относительно продольной оси
|
Угол наклона “гребешка”
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
10
|
11
|
12
|
Среднее значение, мА
|
|
90˚Измерение 1
Измерение 2
Измерение 3
|
1.5
|
1.5
|
1
|
1
|
1.3
|
1
|
1
|
0.7
|
1
|
1
|
1
|
1.1
|
1,10
|
|
1.2
|
0.5
|
0.5
|
1.1
|
1
|
1
|
1.3
|
1
|
1
|
0.7
|
1
|
1.4
|
0,86
|
|
1.1
|
0.9
|
1
|
0.9
|
0.9
|
0.8
|
0.4
|
0.6
|
0.9
|
0.5
|
0.6
|
1
|
0,81
|
|
Общий средний показатель
|
|
0,92
|
|
60˚Измерение1
Измерение 2
Измерение 3
|
1.2
|
1
|
1.2
|
1.5
|
1.6
|
1.6
|
1.7
|
1.6
|
1.6
|
1.6
|
1.6
|
1.6
|
1.48
|
|
1
|
1.5
|
1
|
1
|
1
|
1.9
|
1.7
|
1.5
|
1
|
0.5
|
1.5
|
1
|
1.21
|
|
1
|
1
|
1.5
|
1.2
|
1.5
|
1.3
|
1
|
1
|
1.5
|
1.9
|
1.5
|
1
|
1.28
|
|
Общий средний показатель
|
|
1.32
|
|
30˚Измерение 1
Измерение 2
Измерение 3
|
1.2
|
1
|
0.5
|
0.7
|
1
|
0.5
|
1
|
1
|
0.7
|
1
|
1
|
0.7
|
0,86
|
|
1.5
|
1
|
1.4
|
1
|
1
|
1
|
1.3
|
1.5
|
1
|
1.3
|
1.3
|
1.3
|
1,22
|
|
1.2
|
1
|
1
|
1.5
|
1.5
|
1
|
1
|
1
|
1
|
1.1
|
1.2
|
1
|
1,15
|
|
Общий средний показатель
|
|
1,08
|
|
15˚Измерение 1
Измерение 2
Измерение 3
|
0.5
|
1
|
0.8
|
0.7
|
0.5
|
0.9
|
0.6
|
0.6
|
0.5
|
0.6
|
0.4
|
0.6
|
0,64
|
|
1
|
0.8
|
0.9
|
1
|
0.8
|
0.7
|
0.6
|
0.6
|
0.4
|
0.6
|
0.4
|
0.7
|
0,71
|
|
0.6
|
0.7
|
0.9
|
0.7
|
0.6
|
0.5
|
1
|
1
|
0.9
|
1
|
0.8
|
0.7
|
0,78
|
|
Общий средний показатель
|
|
0,71
|
|
0˚ Измерение 1
Измерение 2
Измерение 3
|
1
|
1
|
0.5
|
0.7
|
0.5
|
0.5
|
1
|
1.5
|
1.4
|
1.5
|
0.6
|
0.8
|
0.92
|
|
0.5
|
1
|
1.3
|
0.7
|
0.8
|
0.5
|
0.9
|
1
|
1.3
|
0.9
|
1
|
0.3
|
0.86
|
|
0.5
|
1
|
1.1
|
0.9
|
0.7
|
1
|
0.5
|
0.4
|
1
|
0.5
|
0.5
|
0.7
|
0.73
|
|
Общий средний показатель
|
|
0.83
|
Расчет аэростатической подъемной силы и определение размеров модели
Расположение ВЭУ на высоте с устойчивым сильным ветром обеспечивает увеличение эффективности их работы в 2 раза. Достоинством электростанции-аэростата является возможность уменьшения стоимости ветровой энергии до 90%. Такой впечатляющий результат является следствием снижения расходов на монтаж и транспортировку турбин.
При наполнении оболочки аэростата гелием его подъемная сила равна 1 грамм на литр газа. Взяв за основу вариант КВП-4 с “гребешком” и увеличив габаритные размеры в 2 раза, мы изготовили модель из бумаги. При этом наружную и внутреннюю оболочки мы склеили соответственно из 22 и 16 секторов площадью 414 и 227 см2. Площадь бумаги для всей конструкции составляет 1,27 м2, а ее вес 32 грамма. Измеренный объем этой модели - 46 литров. При заполнении гелием подъемная сила составит соответственно 46 грамм. В этом случае мы сможем установить в конструкцию и модель ветрогенератора весом до 14 грамм. Основываясь на коэффициентах увеличения скорости ветра в зависимости от высоты, можно сделать вывод, что при подъеме энергоустановки на 40 метров коэффициент составит 1,3. При такой степени увеличения скорости ее мощность увеличится в 2 раза.
Выводы
- В предлагаемой конструкции КВП имеется возможность управления внешними и внутренними потоками. При изменении угла наклона “гребешка” регулируется степень увеличения скорости внутри концентратора.
- Разработанная модель ВЭУ с КВП при скорости воздушного потока в 5-6 м/с обеспечивает увеличение мощности ветроустановки в 6,8 раза.
- Возможность использования ВЭУ с КВП в виде аэростата позволяет увеличить эффективность ее работы ещё не менее чем в 2 раза за счет подъема на высоту с устойчивым сильным ветром.
Список использованных источников
1. Богданов, К. Ю. Синтез наук – оружие познания XXI века / К. Ю. Богданов // Физика – 2006. – №1. – С. 31-39.
2. Составляющие ветроэнергетического потенциала (ВЭП)
tc.by›download_files/energy2013/kamlyuk.pdf
3. Стрелков, С. П. Общий курс физики. Механика / С. П. Стрелков. – М. : Наука, 1975.
4. http://gymnazkrupki.edu.minskregion.by/index.php?op=ViewArticle&articleId=10489&blogId=35
5. http://www.osp.ru/news/2014/0520/13024511/
6. http://purpur-mk.ucoz.ru/publ/podemnaja_sila_vozdushnogo_shara_s_geliem
| 
