Содержание
Введение ........................................................... 3
Обзор литературы..................................................... 9
Глава 1. Электромеханическая модель ветротурбины ..............18
1.1. Условные обозначения ..................................... . 18
1.2. Структура уравнений, описывающих поведение системы .... 22
1.3. Модель аэродинамического воздействия ........................26
1.4. Модель диссипативных сил, отвечающих за потери электрической энергии ....................................................34
Глава 2. Рабочие режимы ветротурбины ...............................38
2.1. Безразмерные переменные и параметры задачи ..................39
2.2. Практическая задача выбора значений параметров ветротурбины 41
2.3. Непрерывная зависимость периодических траекторий от параметров задачи и типы бифуркаций .................................42
2.4. Изменение параметра с при фиксированном параметре А: поворот поля. Существование периодических траекторий ................44
2.5. Случай .4 —> оо: бифуркации периодических траекторий при изменении параметра с .............................................54
2.6. Случай А —> 0: бифуркации периодических траекторий при изменение параметра с .............................................66
2.7. Численное исследование и общие выводы для произвольного А: бифуркации периодических траекторий при изменении параметра с.....................................................79
2.8. Оценки механической и электрической мощности на рабочем режиме ветротурбины......................................83
г/
2.9. Гистерезис угловой скорости и мощности на рабочем режиме в зависимости от направления изменения величины 7? внешнего сопротивления и величины V скорости ветра ......................87
Глава 3. Обработка экспериментальных данных: идентификация параметров и верификация модели .......................92
3.1. Описание ветротурбины, с которой проводились эксперименты 94
3.2. Идентификация параметров модели...........................95
3.3. Экспериментальное построение диаграммы ротационных режимов в зависимости от параметра с................................99
Глава 4. Варианты управления.....................................100
4.1. Управление установочными углами лопастей ротора .........101
4.2. Управление величиной момента инерции ротора..............111
Заключение ......................................................115
Литература ......................................................116
2^
Введение
Актуальность работы. В последнее время все большее применение находят источники возобновляемой энергии, в частности ветроэнергетические установки (ВЭУ). Современные научные исследования в области динамики ВЭУ в основном идут по пути усложнения моделей аэродинамических и электромагнитных воздействий на систему. Позволяя зачастую достигать очень точного совпадения с экспериментами, такие модели отличаются высоким уровнем сложности. Для их исследования применяются в основном численные методы. В то же время малопараметрические модели предоставляют возможность аналитического исследования качественных особенностей поведения системы в зависимости от параметров задачи. Данная работа представляет пример такого исследования в отношении ВЭУ с вертикальной осыо вращения.
К достоинствам вертикально-осевых ВЭУ относятся, в частности: упрощение конструкции за счет возможности расположения генератора на земле, а также отсутствие необходимости разворачивать ветроприемное устройство - ротор при изменении направления ветра.
С точки зрения исследователя, существенным отличием вертикально-осевой ВЭУ от горизонтально-осевой является то, что для ВЭУ с вертикаль-ной осыо вращения аэродинамический момент, вращающий ротор, зависит не только от угловой скорости ротора, но и от значения угла поворота по отношению к направлению скорости ветра.
Модель, исследуемая в дайной работе учитывает электромеханические взаимодействия в системе. Далеко не все модели, встречающиеся в литературе по ВЭУ, обладают этим свойством. Выводы, полученные в ходе исследования, содержат подробное описание зависимости характеристик рабочих режимов ВЭУ от электромеханических параметров задачи. Автору диссерта-
3
ции не удалось найти в литературе ни одной работы, где был бы проведен подобный параметрический анализ модели вертикально-осевой ВЭУ. Тем не менее, отдельные результаты исследований имеют соответствующие аналоги в других работах, причем для таких частных результатов в ряде случаев наблюдается хорошее соответствие между данной работой и трудами других авторов. Некоторые теоретические зависимости, полученные в рамках модели, были верифицированы сотрудниками НИИ механики экспериментально, причем получено качественное совпадение теоретических и экспериментальных результатов.
К первым публикациям В.А. Самсонова и его коллег но моделированию ветротурбииы относятся работы [14], [15], [16], [17], [19]. В них исследовалось движение ротора под воздействием аэродинамических сил. Впоследствии эта модель была дополнена электромагнитной составляющей [8]. В данной работе она модифицирована за счет введения дополнительных диссипативных сил, характеризующих потери энергии в цепи электрогенератора.
Результаты, полученные в работе, позволяют дать некоторые рекомендации но конструированию и эксплуатации вертикально-осевых ВЭУ.
Исследования но теме диссертации проводились в рамках приоритетного направления научных работ НИИ механики МГУ «Динамика твердого тела, движущегося в сплошной среде» (PH 01.960.004651).
Цели диссертационной работы:
1. Усовершенствовать замкнутую электромеханическую модель вертикально-осевой ВЭУ, учитывая выявленные в экспериментах особенности поведения ВЭУ при низких угловых скоростях ротора.
2. Построить бифуркационные диаграммы ротационных режимов в зависимости от параметров задачи.
4
3. Описать зависимость мощности, отбираемой у потока на рабочем режиме, от параметров задачи.
4. Оценить максимальное увеличение выходной мощности, достижимое за счет управления углами установки лопастей.
Научная новизна. Все основные результаты, полученные в работе и выносимые на защиту, являются новыми.
На защиту выносятся следующие основные результаты:
1. Предложена модифицированная замкнутая электромеханическая модель вертикально-осевой ветротурбины, в некотором диапазоне параметров адекватно описывающая поведение действующих ветроустано-вок.
2. С помощью метода малого параметра Пуанкаре-Понтрягина получена зависимость угловой скорости и механической мощности на ротационном режиме от коэффициента внешней электрической нагрузки в случае больших значений осевого момента инерции ротора.
3. На основе теоремы Тихонова получен метод построения зависимости характерной угловой скорости на ротационном режиме от коэффициента внешней электрической нагрузки в случае малых значений осевого момента инерции ротора. Показано принципиальное отличие в поведении роторов с различным числом лопастей при малых значениях момента инерции.
4. Разработан численно-аналитический метод построения областей существования ротационных режимов в пространстве параметров.
5
о. Показано что, в некотором диапазоне значении внешнего сопротивления для гидротурбины может отсутствовать необходимость дополнительной раскрутки ротора, в то время как для ветротурбины такая необходимость существует.
6. Разработан численно-аналитический метод получения оценки максимальной механической мощности для ротора с управляемыми углами установки лопастей.
Разработанные методы и подходы опробованы на примере ветротурбины с трехлопастным ротором с профилем лопастей NACA0020. Для нее осуществлено численное и аналитическое исследование, отдельные результаты сопоставлены с данными, полученными в эксперименте. Экспериментальная верификация модели проводилась в университете Чин Юнь (Тайвань) при непосредственном участии Ю.Д. Селюцкого и М.З. Досаева.
Достоверность результатов. Результаты диссертационной работы строго обоснованы на основе общих теорем динамики и качественной теории динамических систем.
Существование области параметров, в которой результаты, полученные для модели, качественно соответствуют поведению реальной ветротурбины, подтверждено экспериментально.
Используемые методы. В работе используются общие теоремы теории бифуркаций динамических систем второго порядка |1|, [3|, [4|, а также асимптотические методы качественного исследования систем дифференциальных уравнений: метод малого параметра Пуанкаре-Понтрягина [1], [3] и метод исследования сингулярных асимптотических задач, основанный на следствии из теоремы Тихонова [5], [6].
6
Теоретическая и практическая ценность. Работа носит теоретико-прикладной характер и содержит пример эффективного применения асимптотических методов исследования динамической системы с цилиндрическим фазовым пространством для проведения качественного параметрического анализа картины бифуркаций периодических траекторий, охватывающих фазовый цилиндр. Результаты, полученные в данной работе, позволяют дать некоторые рекомендации по конструированию и эксплуатации вертикально-осевых ветротурбин.
Содержание работы
Во Введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель данной работы, указаны научные методы, на которые опирается проведенное исследование, кратко перечислены результаты исследований, обладающие научной новизной, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения и выражена благодарность тем, кто помогал в проведении исследований и написании диссертационной работы.
В первой главе описана замкнутая электромеханическая модель вертикально-осевой ветротурбины, исследование которой проводится в последующих главах.
Во второй главе исследуются рабочие режимы ветротурбины. Рабочему режиму соответствует периодическая траектория системы уравнений движения. Параметрический анализ условий существования и характеристик периодических траекторий проводится с применением асимптотических методов. На основе полученных бифуркационных диаграмм исследуется явление гистерезиса угловой скорости и мощности на рабочих режимах в зависимости от направления изменения величины внешнего сопротивления в цепи генератора.
7
В третьей главе на основе экспериментальных данных проводится верификация модели.
В четвертой главе рассматривается движение управляемой ветротурби-ны. На основе параметрического анализа характеристик рабочих режимов, разработанного во второй главе, оценивается максимальное увеличение механической мощности встротурбины, возможное за счет управления установочными углами лопастей ротора.
В частности, для ротора с тремя лопастями профиля ЫАСА0020 оценка увеличения максимальной мощности, возможного за счет управления углами установки лопастей, составила около 40%.
Помимо этого исследуется возможность улучшения характера переходных процессов в системе за счет управления величиной момента инерции ротора.
В заключении кратко перечислены основные результаты исследований.
Благодарности. Автор выражает благодарность за поддержку, помощь в написании диссертации, ценные советы, идеи и замечания всем своим друзьям, в том числе своему научному руководителю Виталию Александровичу Самсонову, научному консультанту Борису Яковлевичу Локшииу, Марату За-кирджановичу Досасву и Юрию Дмитриевичу Селюцкому, вместе с которыми автор работает над задачей моделирования ветротурбины в НИИ механики МГУ, Виктору Михайловичу Морозову, рецензенту Александру Анатольевичу Бурову.
8
Обзор литературы
Краткая история вопроса
Первое письменное свидетельство применения ветротурбин относится к третьему веку до н.э.: автор из Александрии приводит описание простой вет-ротурбины с горизонтальной осью вращения. Есть свидетельства, что в седьмом веке до н.э. персы испол!»зовали энергию, получаемую на вертикальноосевых ветроустановках [22].
В дальнейшем изложении остановимся лишь на некоторых характерных этапах развития ветроэнергетики, поскольку последовательный обзор технических и научных достижений в этой отрасли, история которой насчитывает более двух тысяч лет, явно выходит за рамки данной работы.
К двенадцатому веку н.э. ветряные мельницы встречались в различных европейских странах, возможно, технологии их постройки были заимствованы европейцами из Азии [22].
С появлением паровой машины значение ветроэнергетики стало стремительно падать. Однако в некоторых странах продолжалось широкомасштабное применение ветроустановок (например, в сельском хозяйстве) и развитие новых технологий в этой области [22].
Постепенно во многих технологических процессах непосредственное использование механической энергии уступает место преобразованию механической энергии в электрическую, причем со временем совершенствуются технологии аккумулирования электрической энергии. Переход к использованию электрической энергии потребовал ввести в конструкцию ветротурбины принципиально новый элемент - электрогенератор. Далее остановимся подробнее именно на использовании ветроустановок для получения электрической энергии и будем выделять две составляющие ветротурбины: вращающийся элемент - ротор, и генератор электрической энергии.
- Київ+380960830922