Geometrical and Numerical Modeling of a Stationary Modular Windmill for Regions with a Wide Range of Wind Loads
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2019-5-53-61Keywords:
windmill, converging cone, diffuser, renewable energy sourcesAbstract
The article contains an overview of both traditional energy sources, specific features and drawbacks associated with their utilization, and renewable energy sources, including their potential and prospects of using them in different sectors of the economy. The possibilities of using wind turbines in water areas (seas, rivers, and lakes) are shown proceeding from the statistical data on wind load in different regions of the Russian Federation (including the Krasnoyarsk region and the areas of the Yenisei and Angara Rivers), as well as data on the wind load in the United States coastal areas. Based on the calculated data and experimental investigations, a modular design with an air flow concentrator consisting of an converging cone, a wind wheel installed in the module cylindrical part, a diffuser, a permanent-magnet synchronous generator, frame-and-truss structural elements, and louvered gratings installed at the converging cone inlet and at the diffuser outlet, and placed in river valleys, on the coast of lakes, seas and oceans is proposed for efficient generation of electricity. The developed modular design has advantages over other traditional windmills, because it makes it possible to take into account the unique wind conditions in the placement area, due to which stable operation is ensured. Numerical simulation of the aerodynamic impact on the module structural elements gave the distribution of velocities produced by the wind flow as it streamlines the structure, as well as pressures, forces and aerodynamic coefficients, which have confirmed correctness of the chosen design solution. These calculations are the basis for further investigations and optimization of the design.
References
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.
Downloads
Published
2018-12-10
Issue
Section
Renewable Energy Installations (05.14.08)
