Геометрическое и численное моделирование стационарной модульной ветроэлектростанции для регионов с широким диапазоном ветровых нагрузок
Ключевые слова:
ветроустановка, конфузор, диффузор, возобновляемые источники энергии
Аннотация
Приведен обзор как традиционных источников энергии, их особенности использования и недостатки, а также и возобновляемых источников энергии: потенциал, перспективы их использования в различных областях экономики. На основе статистических данных по ветровой нагрузке в регионах Российской Федерации (Красноярском крае, районах рек Енисей и Ангара), а также данных по ветровой нагрузке (побережье США) показаны возможности использования ветроустановок на водных участках (моря, реки, озера). На основе расчетных данных и экспериментальных исследований для эффективной выработки электроэнергии предложена модульная конструкция с концентратором воздушного потока, состоящая из конфузора, ветроколеса, установленного в цилиндрической части модуля, диффузора, синхронного генератора с постоянными магнитами, каркасно-ферменных элементов конструкций и жалюзийных решёток, установленных на входе в конфузор и на выходе из диффузора, и размещаемая в долинах рек, на побережье озёр, морей и океанов. Разработанная модульная конструкция имеет преимущества перед другими традиционными ветроустановками, поскольку позволяет учитывать уникальный ветровой режим области размещения, что обеспечивает стабильную работу. Численное моделирование аэродинамического воздействия на элементы модуля конструкции показало распределение скоростей формирующиеся при обтекании конструкции ветровым потоком, давлений, силы и аэродинамические коэффициенты, подтвердившие правильность выбранного конструкторского решения. Данные расчеты являются основой для дальнейших исследований и оптимизации конструкции.
Литература
1. Каргиев В.М., Мартиросов С.Н., Муругов В.П., Пинов А.Б. Метод проектирования ветрофотоэлектрических энергоустановок для автономного сельского дома // Техника в сельском хозяйстве. 2004. № 3. С. 20—22.
2. Европейская ветроэнергетическая ассоциация (EWEA) [Электрон. ресурс] www.ewea.org/ (дата обращения 01.12.2018).
3. Жагина С.Н., Тимашев И.Е. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) северных регионов России: состояние и перспективы развития // Вестник ВГУ. Серия «География. Геоэкология». 2015. № 4. С. 53—58
4. Каргиев В.М. и др. Ветроэнергетика. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности. М.: ИнтерСоларЦентр, 2001.
5. Атласы ветрового и солнечного климатов России. СПб.: Изд-во им. А.И. Воейкова, 1997.
6. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер. 3. Многолетние данные. Ч. 1 — 6. Вып. 21. Красноярский край, Тувинская АССР. Кн. 1. Л.: Гидрометеоиздат, 1990.
7. Информационный бюллетень [Электрон. ресурс] http://енисейречтранс.рф (дата обращения 27.11.2018).
8. Безруких П.П. Ветроэнергетика. М.: Энергия, 2010.
9. Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. М.: Министерство сельского хозяйства СССР, 1967.
10. Рензо Д. Ветроэнергетика. М.: Энергоатомиздат, 1982.
11. Пат. № 2103545 РФ. Ветроэнергетическая установка (варианты) / И.М. Глазунов // Бюл. изобрет. 1998. № 4.
12. Пат. № 2450158 РФ. Воздушно-потоковая электростанция / В.А. Кущенко // Бюл. изобрет. 2012. № 13.
13. Пат. № 2492353 РФ. Высокоэффективная ветроэнергетическая установка модульного типа и модуль ветрогенератора для неё / О.С. Сироткин, К.Н. Зюзя, В.В. Плихунов, И.С. Карпейкин // Бюл. изобрет. 2013. № 25.
14. SolidWorks Simulation [Электрон. ресурс] http://solidworks.tpu.ru/chapter.php?cid=76 (дата обращения 10.01.2019).
15. Алямовский А.А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи. СПб.: БХВ-Петербург, 2012.
16. Бабкина Л.А., Сорокин Д.В. Моделирование течения жидкостей и газа в пакете SolidWorks Flow Simulation. Красноярск: Изд-во Сибирского гос. аэрокосмического ун-та, 2012.
17. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия.
18. Алямовский А.А. и др. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. СПб.: БХВ-Петербург, 2005.
19. Редькин А.В., Обыденов В.А., Козлов О.В. Компьютерное моделирование ветровой нагрузки с помощью метода конечных элементов // Известия ТулГУ. Серия «Технические науки». 2009. Вып. 2–1. С. 127—132.
20. Филатов Е.Ю. Расчет ветровой нагрузки на здания и сооружения с помощью многопроцессорного компьютера // Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности: Сб. материалов Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. Иваново: ИГТА, 2006. С. 319—320.
21. Филатов Е.Ю. Математическое моделирование с помощью многопроцессорных вычислительных систем ветровой нагрузки, действующей на одиночные здания и строительные комплексы // Применение многопроцессорных суперкомпьютеров в исследованиях, наукоемких технологиях и учебной работе: Сб. материалов региональной науч.-техн. конф. Иваново: ИГТА, 2008. С. 41—42.
22. Рахматулин, Х.А., Демьянов Ю.А. Прочность при интенсивных кратковременных нагрузках. М.: Университетская книга, Логос, 2009.
23. Енджиевский Л.В., Терешкова А.В. История аварий и катастроф. Красноярск: Изд-во Сибирского федерального ун-та, 2013.
24. Компаниец Л.А. и др. Аналитические решения для задач стационарного ветрового движения жидкости. Красноярск: Изд-во Сибирского федерального ун- та, 2012.
---
Для цитирования: Надараиа Ц.Г., Шестаков И.Я., Бабкина Л.А., Фадеев А.А., Селиванов А.И. Геометрическое и численное моделирование стационарной модульной ветроэлектростанции для регионов с широким диапазоном ветровых нагрузок // Вестник МЭИ. 2019. № 5. С. 53—61. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-5-53-61.
#
1. Kargiev V.M., Martirosov S.N., Murugov V.P., Pinov A.B. Metod Proektirovaniya Vetrofotoelektricheskikh Energoustanovok dlya Avtonomnogo Sel'skogo Doma. Tekhnika v Sel'skom Khozyaystve. 2004;3:20—22. (in Russian).
2. Evropeyskaya Vetroenergeticheskaya Assotsiatsiya (EWEA) [Elektron. Resurs] www.ewea.org/ (Data Obrashcheniya 01.12.2018). (in Russian).
3. Zhagina S.N., Timashev I.E. Vozobnovlyaemye Istochniki Energii (VIE) Severnykh Regionov Rossii: Sostoyanie i Perspektivy Razvitiya. Vestnik VGU. Seriya «Geografiya. Geoekologiya». 2015;4:53—58 (in Russian).
4. Kargiev V.M. i dr. Vetroenergetika. Rukovodstvo po Primeneniyu Vetroustanovok Maloy i Sredney Moshchnosti. M.: InterSolarTSentr, 2001. (in Russian).
5. Atlasy Vetrovogo i Solnechnogo Klimatov Rossii. SPb.: Izd-vo im. A.I. Voeykova, 1997. (in Russian).
6. Nauchno-prikladnoy Spravochnik po Klimatu SSSR. Ser. 3. Mnogoletnie Dannye. Ch. 1 — 6. Vyp. 21. Krasnoyarskiy Kray, Tuvinskaya ASSR. Kn. 1. L.: Gidrometeoizdat, 1990.(in Russian).
7. Informatsionnyy byulleten' [Elektron. Resurs] http://eniseyrechtrans.rf (Data Obrashcheniya 27.11.2018). (in Russian).
8. Bezrukikh P.P. Vetroenergetika. M.: Energiya, 2010. (in Russian).
9. Shefter Ya.I., Rozhdestvenskiy I.V. Izobretatelyu o Vetrodvigatelyakh i Vetroustanovkakh. M.: Ministerstvo Sel'skogo Khozyaystva SSSR, 1967. (in Russian).
10. Renzo D. Vetroenergetika. M.: Energoatomizdat, 1982. (in Russian).
11. Pat. № 2103545 RF. Vetroenergeticheskaya Ustanovka (Varianty). I.M. Glazunov. Byul. izobret. 1998; 4. (in Russian).
12. Pat. № 2450158 RF. Vozdushno-potokovaya Elektrostantsiya. V.A. Kushchenko. Byul. izobret. 2012;13. (in Russian).
13. Pat. № 2492353 RF. Vysokoeffektivnaya Vetroenergeticheskaya Ustanovka Modul'nogo Tipa i Modul' Vetrogeneratora dlya Nee. O.S. Sirotkin, K.N. Zyuzya, V.V. Plikhunov, I.S. Karpeykin. Byul. izobret. 2013;25. (in Russian).
14. SolidWorks Simulation [Elektron. Resurs] http:// solidworks.tpu.ru/chapter.php?cid=76 (Data Obrashcheniya 10.01.2019). (in Russian).
15. Alyamovskiy A.A. SolidWorks Simulation. Kak Reshat' Prakticheskie Zadachi. SPb.: BKHV-Peterburg, 2012. (in Russian).
16. Babkina L.A., Sorokin D.V. Modelirovanie Techeniya Zhidkostey i Gaza v Pakete SolidWorks Flow Simulation. Krasnoyarsk: Izd-vo Sibirskogo Gos. Aerokosmicheskogo Un-ta, 2012. (in Russian).
17. SP 20.13330.2016. Nagruzki i Vozdeystviya. (in Russian).
18. Alyamovskiy A.A. i dr. SolidWorks. Komp'yuternoe Modelirovanie v Inzhenernoy Praktike. SPb.: BKHV-Peterburg, 2005. (in Russian).
19. Red'kin A.V., Obydenov V.A., Kozlov O.V. Komp'yuternoe Modelirovanie Vetrovoy Nagruzki s Pomoshch'yu Metoda Konechnykh Elementov. Izvestiya TulGU. Seriya «Tekhnicheskie nauki». 2009;2–1:127—132. (in Russian).
20. Filatov E.Yu. Raschet Vetrovoy Nagruzki na Zdaniya i Sooruzheniya s Pomoshch'yu Mnogoprotsessornogo Komp'yutera. Sovremennye Naukoemkie Tekhnologii i Perspektivnye Materialy Tekstil'noy i Legkoy Promyshlennosti: Sb. Materialov Mezhdunar. Nauch.-tekhn. Konf. Ch. 1. Ivanovo: IGTA, 2006;319—320. (in Russian).
21. Filatov E.Yu. Matematicheskoe Modelirovanie s Pomoshch'yu Mnogoprotsessornykh Vychislitel'nykh Sistem Vetrovoy Nagruzki, Deystvuyushchey na Odinochnye Zdaniya i Stroitel'nye Kompleksy. Primenenie Mnogoprotsessornykh Superkomp'yuterov v Issledovaniyakh, Naukoemkikh Tekhnologiyakh i Uchebnoy Rabote: Sb. Materialov Regional'noy Nauch.-tekhn. Konf. Ivanovo: IGTA, 2008:41—42. (in Russian).
22. Rakhmatulin, Kh.A., Dem'yanov Yu.A. Prochnost' pri Intensivnykh Kratkovremennykh Nagruzkakh. M.: Universitetskaya Kniga, Logos, 2009. (in Russian).
23. Endzhievskiy L.V., Tereshkova A.V. Istoriya Avariy i Katastrof. Krasnoyarsk: Izd-vo Sibirskogo Federal'nogo Un-ta, 2013. (in Russian).
24. Kompaniets L.A. i dr. Analiticheskie Resheniya dlya Zadach Statsionarnogo Vetrovogo Dvizheniya Zhidkosti. Krasnoyarsk: Izd-Vo Sibirskogo Federal'nogo Un-ta, 2012. (in Russian).
---
For citation: Nadaraia C.G., Shestakov I.Ya., Babkina L.A., Fadeev A.A., Selivanov A.I. Geometrical and Numerical Modeling of a Stationary Modular Windmill for Regions with a Wide Range of Wind Loads. Bulletin of MPEI. 2019;5:53—61. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-5-53-61.
2. Европейская ветроэнергетическая ассоциация (EWEA) [Электрон. ресурс] www.ewea.org/ (дата обращения 01.12.2018).
3. Жагина С.Н., Тимашев И.Е. Возобновляемые источники энергии (ВИЭ) северных регионов России: состояние и перспективы развития // Вестник ВГУ. Серия «География. Геоэкология». 2015. № 4. С. 53—58
4. Каргиев В.М. и др. Ветроэнергетика. Руководство по применению ветроустановок малой и средней мощности. М.: ИнтерСоларЦентр, 2001.
5. Атласы ветрового и солнечного климатов России. СПб.: Изд-во им. А.И. Воейкова, 1997.
6. Научно-прикладной справочник по климату СССР. Сер. 3. Многолетние данные. Ч. 1 — 6. Вып. 21. Красноярский край, Тувинская АССР. Кн. 1. Л.: Гидрометеоиздат, 1990.
7. Информационный бюллетень [Электрон. ресурс] http://енисейречтранс.рф (дата обращения 27.11.2018).
8. Безруких П.П. Ветроэнергетика. М.: Энергия, 2010.
9. Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Изобретателю о ветродвигателях и ветроустановках. М.: Министерство сельского хозяйства СССР, 1967.
10. Рензо Д. Ветроэнергетика. М.: Энергоатомиздат, 1982.
11. Пат. № 2103545 РФ. Ветроэнергетическая установка (варианты) / И.М. Глазунов // Бюл. изобрет. 1998. № 4.
12. Пат. № 2450158 РФ. Воздушно-потоковая электростанция / В.А. Кущенко // Бюл. изобрет. 2012. № 13.
13. Пат. № 2492353 РФ. Высокоэффективная ветроэнергетическая установка модульного типа и модуль ветрогенератора для неё / О.С. Сироткин, К.Н. Зюзя, В.В. Плихунов, И.С. Карпейкин // Бюл. изобрет. 2013. № 25.
14. SolidWorks Simulation [Электрон. ресурс] http://solidworks.tpu.ru/chapter.php?cid=76 (дата обращения 10.01.2019).
15. Алямовский А.А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи. СПб.: БХВ-Петербург, 2012.
16. Бабкина Л.А., Сорокин Д.В. Моделирование течения жидкостей и газа в пакете SolidWorks Flow Simulation. Красноярск: Изд-во Сибирского гос. аэрокосмического ун-та, 2012.
17. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия.
18. Алямовский А.А. и др. SolidWorks. Компьютерное моделирование в инженерной практике. СПб.: БХВ-Петербург, 2005.
19. Редькин А.В., Обыденов В.А., Козлов О.В. Компьютерное моделирование ветровой нагрузки с помощью метода конечных элементов // Известия ТулГУ. Серия «Технические науки». 2009. Вып. 2–1. С. 127—132.
20. Филатов Е.Ю. Расчет ветровой нагрузки на здания и сооружения с помощью многопроцессорного компьютера // Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности: Сб. материалов Междунар. науч.-техн. конф. Ч. 1. Иваново: ИГТА, 2006. С. 319—320.
21. Филатов Е.Ю. Математическое моделирование с помощью многопроцессорных вычислительных систем ветровой нагрузки, действующей на одиночные здания и строительные комплексы // Применение многопроцессорных суперкомпьютеров в исследованиях, наукоемких технологиях и учебной работе: Сб. материалов региональной науч.-техн. конф. Иваново: ИГТА, 2008. С. 41—42.
22. Рахматулин, Х.А., Демьянов Ю.А. Прочность при интенсивных кратковременных нагрузках. М.: Университетская книга, Логос, 2009.
23. Енджиевский Л.В., Терешкова А.В. История аварий и катастроф. Красноярск: Изд-во Сибирского федерального ун-та, 2013.
24. Компаниец Л.А. и др. Аналитические решения для задач стационарного ветрового движения жидкости. Красноярск: Изд-во Сибирского федерального ун- та, 2012.
---
Для цитирования: Надараиа Ц.Г., Шестаков И.Я., Бабкина Л.А., Фадеев А.А., Селиванов А.И. Геометрическое и численное моделирование стационарной модульной ветроэлектростанции для регионов с широким диапазоном ветровых нагрузок // Вестник МЭИ. 2019. № 5. С. 53—61. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-5-53-61.
#
1. Kargiev V.M., Martirosov S.N., Murugov V.P., Pinov A.B. Metod Proektirovaniya Vetrofotoelektricheskikh Energoustanovok dlya Avtonomnogo Sel'skogo Doma. Tekhnika v Sel'skom Khozyaystve. 2004;3:20—22. (in Russian).
2. Evropeyskaya Vetroenergeticheskaya Assotsiatsiya (EWEA) [Elektron. Resurs] www.ewea.org/ (Data Obrashcheniya 01.12.2018). (in Russian).
3. Zhagina S.N., Timashev I.E. Vozobnovlyaemye Istochniki Energii (VIE) Severnykh Regionov Rossii: Sostoyanie i Perspektivy Razvitiya. Vestnik VGU. Seriya «Geografiya. Geoekologiya». 2015;4:53—58 (in Russian).
4. Kargiev V.M. i dr. Vetroenergetika. Rukovodstvo po Primeneniyu Vetroustanovok Maloy i Sredney Moshchnosti. M.: InterSolarTSentr, 2001. (in Russian).
5. Atlasy Vetrovogo i Solnechnogo Klimatov Rossii. SPb.: Izd-vo im. A.I. Voeykova, 1997. (in Russian).
6. Nauchno-prikladnoy Spravochnik po Klimatu SSSR. Ser. 3. Mnogoletnie Dannye. Ch. 1 — 6. Vyp. 21. Krasnoyarskiy Kray, Tuvinskaya ASSR. Kn. 1. L.: Gidrometeoizdat, 1990.(in Russian).
7. Informatsionnyy byulleten' [Elektron. Resurs] http://eniseyrechtrans.rf (Data Obrashcheniya 27.11.2018). (in Russian).
8. Bezrukikh P.P. Vetroenergetika. M.: Energiya, 2010. (in Russian).
9. Shefter Ya.I., Rozhdestvenskiy I.V. Izobretatelyu o Vetrodvigatelyakh i Vetroustanovkakh. M.: Ministerstvo Sel'skogo Khozyaystva SSSR, 1967. (in Russian).
10. Renzo D. Vetroenergetika. M.: Energoatomizdat, 1982. (in Russian).
11. Pat. № 2103545 RF. Vetroenergeticheskaya Ustanovka (Varianty). I.M. Glazunov. Byul. izobret. 1998; 4. (in Russian).
12. Pat. № 2450158 RF. Vozdushno-potokovaya Elektrostantsiya. V.A. Kushchenko. Byul. izobret. 2012;13. (in Russian).
13. Pat. № 2492353 RF. Vysokoeffektivnaya Vetroenergeticheskaya Ustanovka Modul'nogo Tipa i Modul' Vetrogeneratora dlya Nee. O.S. Sirotkin, K.N. Zyuzya, V.V. Plikhunov, I.S. Karpeykin. Byul. izobret. 2013;25. (in Russian).
14. SolidWorks Simulation [Elektron. Resurs] http:// solidworks.tpu.ru/chapter.php?cid=76 (Data Obrashcheniya 10.01.2019). (in Russian).
15. Alyamovskiy A.A. SolidWorks Simulation. Kak Reshat' Prakticheskie Zadachi. SPb.: BKHV-Peterburg, 2012. (in Russian).
16. Babkina L.A., Sorokin D.V. Modelirovanie Techeniya Zhidkostey i Gaza v Pakete SolidWorks Flow Simulation. Krasnoyarsk: Izd-vo Sibirskogo Gos. Aerokosmicheskogo Un-ta, 2012. (in Russian).
17. SP 20.13330.2016. Nagruzki i Vozdeystviya. (in Russian).
18. Alyamovskiy A.A. i dr. SolidWorks. Komp'yuternoe Modelirovanie v Inzhenernoy Praktike. SPb.: BKHV-Peterburg, 2005. (in Russian).
19. Red'kin A.V., Obydenov V.A., Kozlov O.V. Komp'yuternoe Modelirovanie Vetrovoy Nagruzki s Pomoshch'yu Metoda Konechnykh Elementov. Izvestiya TulGU. Seriya «Tekhnicheskie nauki». 2009;2–1:127—132. (in Russian).
20. Filatov E.Yu. Raschet Vetrovoy Nagruzki na Zdaniya i Sooruzheniya s Pomoshch'yu Mnogoprotsessornogo Komp'yutera. Sovremennye Naukoemkie Tekhnologii i Perspektivnye Materialy Tekstil'noy i Legkoy Promyshlennosti: Sb. Materialov Mezhdunar. Nauch.-tekhn. Konf. Ch. 1. Ivanovo: IGTA, 2006;319—320. (in Russian).
21. Filatov E.Yu. Matematicheskoe Modelirovanie s Pomoshch'yu Mnogoprotsessornykh Vychislitel'nykh Sistem Vetrovoy Nagruzki, Deystvuyushchey na Odinochnye Zdaniya i Stroitel'nye Kompleksy. Primenenie Mnogoprotsessornykh Superkomp'yuterov v Issledovaniyakh, Naukoemkikh Tekhnologiyakh i Uchebnoy Rabote: Sb. Materialov Regional'noy Nauch.-tekhn. Konf. Ivanovo: IGTA, 2008:41—42. (in Russian).
22. Rakhmatulin, Kh.A., Dem'yanov Yu.A. Prochnost' pri Intensivnykh Kratkovremennykh Nagruzkakh. M.: Universitetskaya Kniga, Logos, 2009. (in Russian).
23. Endzhievskiy L.V., Tereshkova A.V. Istoriya Avariy i Katastrof. Krasnoyarsk: Izd-vo Sibirskogo Federal'nogo Un-ta, 2013. (in Russian).
24. Kompaniets L.A. i dr. Analiticheskie Resheniya dlya Zadach Statsionarnogo Vetrovogo Dvizheniya Zhidkosti. Krasnoyarsk: Izd-Vo Sibirskogo Federal'nogo Un-ta, 2012. (in Russian).
---
For citation: Nadaraia C.G., Shestakov I.Ya., Babkina L.A., Fadeev A.A., Selivanov A.I. Geometrical and Numerical Modeling of a Stationary Modular Windmill for Regions with a Wide Range of Wind Loads. Bulletin of MPEI. 2019;5:53—61. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-5-53-61.
Опубликован
2018-12-10
Выпуск
Раздел
Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии (05.14.08)
