Optimizing the Confuser Design of a Wind Power Plant for Regions with Unstably Low Wind Pressure
Keywords:
confuser, concentrator, air flow acceleration, wind power plants with a vertical rotation axis, multi-tier design
Abstract
The article considers a concentrator design version for a wind power plant with a vertical rotation axis that makes it possible to obtain the highest efficiency values as compared with those shown by the known analogues under the wind power plant placement conditions in regions with a sharply continental climate. The operating principle of convergent-divergent airflow accelerators for wind power plants with a vertical rotation axis is analyzed. The models of three-, five-, and seven- paddle flow accelerators with different unit log spiral radius to the base are proposed. The resulting values of the average air flow acceleration coefficients in the converging duct body are determined at different incident flow velocities for the design versions with and without a guiding structure. Versions of searching for the optimal flow accelerator design for obtaining the maximum wind power plant efficiency are identified. The article presents an air flow concentration unit version obtained by placing tier superstructures one upon another along with the processes of increasing the power capacity and averaging the air flowrate at the outlet. The presented design version helps reduce the vibration loads both on the wind power plant structure itself and on the location of the wind power plants as a whole. The proposed design versions do not require orientation in the wind direction and have the property of averaging the incident gusty air flow
References
1. Bubenchikov A.A., Bubenchikova T.V., Artamonova E.Y., Shepelev A.O. Flow Accelerator for Wind Power Installations with the Vertical Rotation Axis // IEEE Intern. Conf. Environment and Electrical Engineering and IEEE Industrial and Commercial Power Syst. Europe. Milan,2017. Рp. 1—8.
2. Филиппов В.Е., Гаврильев Д.М. Исследование погружения плоской частицы в стоячей воде // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011. № 11. С. 198—200.
3. Бубенчиков А.А. и др. Проблемы применения ветроэнергетических установок в регионах с малой ветровой нагрузкой // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. № 5–2 (36). С. 39—43.
4. Heier S. Wind Energy Conversion Systems // Grid Integration of Wind Energy: Onshore and Offshore Conversion Syst. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2014.
5. Винт ветрогенератора [Электрон. ресурс] http://x-vint.ru/index4.html (дата обращения 14.10.2017).
6. Горелов Д.Н. Аэродинамика ветроколес с вертикальной осью вращения. Омск: Полиграфический центр КАН, 2012.
7. Доржиев С.С., Базарова Е.Г., Горинов К.А. Осевые ускорители низкопотенциальных ветровых потоков // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2015. № 7. С. 48—54.
8. Мирошник В.В. и др. Исследование аэродинамики и энергетических характеристик ротора Дарье // Международный научно-исследовательский журнал.2017. № 12 (54). С. 134—141.
9. Куренский А.В., Бондаренко А.А., Кончаков Е.И. Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик ветротурбины с вертикальной осью вращения // Вологдинские чтения. 2007. № 65. С. 94—95.
10. Лисицын А.Н., Задорожная Н.М. О перспективах ветроэнергетики в современном мире // нновационные технологии в науке и образовании: Сборник статей V Междунар. науч.-практ. конф. Пенза, 2017. С. 36—42.
11. Типы ветротурбин, их мощность, эффективность [Электрон. ресурс] http://www.solarhome.ru/ basics/wind/ (дата обращения 14.10.2017).
12. Janajreh I., Simiu E. Large Eddy Simulation of Wind Loads on a Low-rise Structure and Comparison with Wind Tunnel Results // Appl. Mechanics and Materials.2012. V. 152—154. Рр. 1806—1813.
13. Lee Y.T., Lim H.C. Power Performance Improvement of 500W Vertical Axis Wind Turbine with Salient Design Parameters // Intern. J. Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Eng. 2016. V. 10. No. 1. Pp. 84—88.
14. Байрамов Ф.Д., Галимов Н.С., Иванов В.А. Пути повышения эффективности ветродвигателей роторного типа с вертикальной осью вращения в мегаполисе // Научно-технический вестник Поволжья. 2014.№ 2. С. 99—102.
15. Говорова А.И. Математическое моделирование нестационарного отрывного обтекания разомкнутого контура: дисс. … канд. физ.-мат. наук. Омск: Омский гос. ун-т им. Ф.М. Достоевского, 2015.
16. Серебряков Р.А., Доржиев С.С., Базарова Е.Г. Современное состояние, проблемы и перспективы развития ветроэнергетики // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2016. № 3. С. 13—20.
17. Соколовский Ю.Б., Соколовский А.Ю. Повышение эффективности ветровых энергетических установок // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит.2014. № 9 (127). С. 28—37.
18. Паромов В.В., Земцов В.А., Копысов С.Г. Климат Западной Сибири в фазу замедления потепления (1986 — 2015 гг.) и прогнозирование гидроклиматических ресурсов на 2021 — 2030 гг. // Известия Томского политехн. ун-та. Серия «Инжиниринг георесурсов».2017. Т. 328. № 1. С. 62—74.
19. Карта ветровых районов России [Электрон. ресурс] http://www.angar21.ru/map-veter (дата обращения 14.10.2017).
20. Казакевич М.И., Кулябко В.В. Введение в виброэкологию зданий и сооружений. Днепропетровск: ПГАСА, 1996.
---
Для цитирования: Лебедев И.С., Бубенчиков А.А., Горюнов В.Н., Хацевский К.В. Оптимизация конструкции конфузора ветро¬энергетической установки для регионов с нестабильно-малым ветровым давлением // Вестник МЭИ. 2019. № 1. С. 14—19. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-1-14-19.
#
1. Bubenchikov A.A., Bubenchikova T.V., Artamonova E.Y., Shepelev A.O. Flow Accelerator for Wind Power Installations with the Vertical Rotation Axis. IEEE Intern. Conf. Environment and Electrical Engineering and IEEE Industrial and Commercial Power Syst. Europe. Milan, 2017:1—8.
2. Filippov V.E., Gavril'ev D.M. Issledovanie Pogruzheniya Ploskoy Chastitsy v Stoyachey Vode. Gor- nyy Informatsionno-analiticheskiy Byulleten'. 2011;11:198—200. (in Russian).
3. Bubenchikov A.A. i dr. Problemy Primeneniya Vetroenergeticheskih Ustanovok v Regionah s Maloy Vetro- voy Nagruzkoy. Mezhdunarodnyy Nauchno-issledovatel'skiy Zhurnal. 2015;5–2(36):39—43. (in Russian).
4. Heier S. Wind Energy Conversion Systems. Grid Integration of Wind Energy: Onshore and Offshore Conversion Syst. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2014.
5. Vint Vetrogeneratora [Elektron. Resurs] http://x- vint.ru/index4.html (Data Obrashcheniya 14.10.2017). (in Russian).
6. Gorelov D.N. Aerodinamika Vetrokoles s Vertikal'noy Os'yu Vrashcheniya. Omsk: Poligraficheskiy Tsentr KAN, 2012. (in Russian).
7. Dorzhiev S.S., Bazarova E.G., Gorinov K.A. Osevye Uskoriteli Nizkopotentsial'nyh Vetrovyh Potokov. Al'ternativnaya Energetika i Ekologiya (ISJAEE). 2015;7:48—54. (in Russian).
8. Miroshnik V.V. i dr. Issledovanie Aerodinamiki i Energeticheskih Harakteristik Rotora Dar'e. Mezhdunarodnyy Nauchno-issledovatel'skiy Zhurnal. 2017;12 (54):134—141. (in Russian).
9. Kurenskiy A.V., Bondarenko A.A., Konchakov E.I. Eksperimental'nye Issledovaniya Aerodinamicheskih Harakteristik Vetroturbiny s Vertikal'noy Os'yu Vrashcheniya. Vologdinskie Chteniya. 2007;65:94—95. (in Russian).
10. Lisitsyn A.N., Zadorozhnaya N.M. O perspektivah Vetroenergetiki v Sovremennom Mire. Innovatsionnye Tekhnologii v Nauke i Obrazovanii: Sbornik Statey V Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konf. Penza, 2017:36—42. (in Russian).
11. Tipy Vetroturbin, ih Moshchnost', Effektivnost' [Elektron. Resurs] http://www.solarhome.ru/basics/wind/ (Data Obrashcheniya 14.10.2017). (in Russian).
12. Janajreh I., Simiu E. Large Eddy Simulation of Wind Loads on a Low-rise Structure and Comparison with Wind Tunnel Results. Appl. Mechanics and Materials. 2012;152—154:1806—1813.
13. Lee Y.T., Lim H.C. Power Performance Improvement of 500W Vertical Axis Wind Turbine with Salient Design Parameters. Intern. J. Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Eng. 2016;10;1:84—88.
14. Bayramov F.D., Galimov N.S., Ivanov V.A. Puti Povysheniya Effektivnosti Vetrodvigateley Rotornogo Tipa s Vertikal'noy Os'yu Vrashcheniya v Megapolise. Nauchno-tekhnicheskiy Vestnik Povolzh'ya. 2014;2:99—102. (in Russian).
15. Govorova A.I. Matematicheskoe Modelirovanie Nestatsionarnogo Otryvnogo Obtekaniya Razomknutogo Kontura: Diss. … Kand. Fiz.-mat. Nauk. Omsk: Omskiy Gos. Un-t im. F.M. Dostoevskogo, 2015. (in Russian).
16. Serebryakov R.A., Dorzhiev S.S., Bazarova E.G. Sovremennoe Sostoyanie, Problemy i Perspektivy Razvitiya Vetroenergetiki. Aktual'nye Problemy Gumanitarnyh i Estestvennyh Nauk. 2016;3:13—20. (in Russian).
17. Sokolovskiy Yu.B., Sokolovskiy A.Yu. Povyshenie Effektivnosti Vetrovyh Energeticheskih Ustano- vok. Energosberezhenie. Energetika. Energoaudit. 2014;9 (127):28—37. (in Russian).
18. Paromov V.V., Zemtsov V.A., Kopysov S.G. Klimat Zapadnoy Sibiri v Fazu Zamedleniya Potepleniya (1986 — 2015 gg.) i Prognozirovanie Gidroklimaticheskih Resursov na 2021 — 2030 gg.. Izvestiya Tomskogo Politekhn. Un-ta. Seriya «Inzhiniring Georesursov». 2017;328;1:62—74. (in Russian).
19. Karta Vetrovyh Rayonov Rossii [Elektron. Resurs]http://www.angar21.ru/map-veter (Data Obrashcheniya 14.10.2017). (in Russian).
20. Kazakevich M.I., Kulyabko V.V. Vvedenie v Vibroekologiyu Zdaniy i Sooruzheniy. Dnepropetrovsk: PGASA, 1996. (in Russian).
---
For citation: Lebedev I.S., Bubenchikov A.A., Goryunov V.N., Khatsevsky K.V. Optimizing the Confuser Design of a Wind Power Plant for Regions with Unstably Low Wind Pressure. MPEI Vestnik. 2019;1:14—19. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-1-14-19.
2. Филиппов В.Е., Гаврильев Д.М. Исследование погружения плоской частицы в стоячей воде // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2011. № 11. С. 198—200.
3. Бубенчиков А.А. и др. Проблемы применения ветроэнергетических установок в регионах с малой ветровой нагрузкой // Международный научно-исследовательский журнал. 2015. № 5–2 (36). С. 39—43.
4. Heier S. Wind Energy Conversion Systems // Grid Integration of Wind Energy: Onshore and Offshore Conversion Syst. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2014.
5. Винт ветрогенератора [Электрон. ресурс] http://x-vint.ru/index4.html (дата обращения 14.10.2017).
6. Горелов Д.Н. Аэродинамика ветроколес с вертикальной осью вращения. Омск: Полиграфический центр КАН, 2012.
7. Доржиев С.С., Базарова Е.Г., Горинов К.А. Осевые ускорители низкопотенциальных ветровых потоков // Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2015. № 7. С. 48—54.
8. Мирошник В.В. и др. Исследование аэродинамики и энергетических характеристик ротора Дарье // Международный научно-исследовательский журнал.2017. № 12 (54). С. 134—141.
9. Куренский А.В., Бондаренко А.А., Кончаков Е.И. Экспериментальные исследования аэродинамических характеристик ветротурбины с вертикальной осью вращения // Вологдинские чтения. 2007. № 65. С. 94—95.
10. Лисицын А.Н., Задорожная Н.М. О перспективах ветроэнергетики в современном мире // нновационные технологии в науке и образовании: Сборник статей V Междунар. науч.-практ. конф. Пенза, 2017. С. 36—42.
11. Типы ветротурбин, их мощность, эффективность [Электрон. ресурс] http://www.solarhome.ru/ basics/wind/ (дата обращения 14.10.2017).
12. Janajreh I., Simiu E. Large Eddy Simulation of Wind Loads on a Low-rise Structure and Comparison with Wind Tunnel Results // Appl. Mechanics and Materials.2012. V. 152—154. Рр. 1806—1813.
13. Lee Y.T., Lim H.C. Power Performance Improvement of 500W Vertical Axis Wind Turbine with Salient Design Parameters // Intern. J. Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Eng. 2016. V. 10. No. 1. Pp. 84—88.
14. Байрамов Ф.Д., Галимов Н.С., Иванов В.А. Пути повышения эффективности ветродвигателей роторного типа с вертикальной осью вращения в мегаполисе // Научно-технический вестник Поволжья. 2014.№ 2. С. 99—102.
15. Говорова А.И. Математическое моделирование нестационарного отрывного обтекания разомкнутого контура: дисс. … канд. физ.-мат. наук. Омск: Омский гос. ун-т им. Ф.М. Достоевского, 2015.
16. Серебряков Р.А., Доржиев С.С., Базарова Е.Г. Современное состояние, проблемы и перспективы развития ветроэнергетики // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2016. № 3. С. 13—20.
17. Соколовский Ю.Б., Соколовский А.Ю. Повышение эффективности ветровых энергетических установок // Энергосбережение. Энергетика. Энергоаудит.2014. № 9 (127). С. 28—37.
18. Паромов В.В., Земцов В.А., Копысов С.Г. Климат Западной Сибири в фазу замедления потепления (1986 — 2015 гг.) и прогнозирование гидроклиматических ресурсов на 2021 — 2030 гг. // Известия Томского политехн. ун-та. Серия «Инжиниринг георесурсов».2017. Т. 328. № 1. С. 62—74.
19. Карта ветровых районов России [Электрон. ресурс] http://www.angar21.ru/map-veter (дата обращения 14.10.2017).
20. Казакевич М.И., Кулябко В.В. Введение в виброэкологию зданий и сооружений. Днепропетровск: ПГАСА, 1996.
---
Для цитирования: Лебедев И.С., Бубенчиков А.А., Горюнов В.Н., Хацевский К.В. Оптимизация конструкции конфузора ветро¬энергетической установки для регионов с нестабильно-малым ветровым давлением // Вестник МЭИ. 2019. № 1. С. 14—19. DOI: 10.24160/1993-6982-2019-1-14-19.
#
1. Bubenchikov A.A., Bubenchikova T.V., Artamonova E.Y., Shepelev A.O. Flow Accelerator for Wind Power Installations with the Vertical Rotation Axis. IEEE Intern. Conf. Environment and Electrical Engineering and IEEE Industrial and Commercial Power Syst. Europe. Milan, 2017:1—8.
2. Filippov V.E., Gavril'ev D.M. Issledovanie Pogruzheniya Ploskoy Chastitsy v Stoyachey Vode. Gor- nyy Informatsionno-analiticheskiy Byulleten'. 2011;11:198—200. (in Russian).
3. Bubenchikov A.A. i dr. Problemy Primeneniya Vetroenergeticheskih Ustanovok v Regionah s Maloy Vetro- voy Nagruzkoy. Mezhdunarodnyy Nauchno-issledovatel'skiy Zhurnal. 2015;5–2(36):39—43. (in Russian).
4. Heier S. Wind Energy Conversion Systems. Grid Integration of Wind Energy: Onshore and Offshore Conversion Syst. Chichester: John Wiley & Sons Ltd, 2014.
5. Vint Vetrogeneratora [Elektron. Resurs] http://x- vint.ru/index4.html (Data Obrashcheniya 14.10.2017). (in Russian).
6. Gorelov D.N. Aerodinamika Vetrokoles s Vertikal'noy Os'yu Vrashcheniya. Omsk: Poligraficheskiy Tsentr KAN, 2012. (in Russian).
7. Dorzhiev S.S., Bazarova E.G., Gorinov K.A. Osevye Uskoriteli Nizkopotentsial'nyh Vetrovyh Potokov. Al'ternativnaya Energetika i Ekologiya (ISJAEE). 2015;7:48—54. (in Russian).
8. Miroshnik V.V. i dr. Issledovanie Aerodinamiki i Energeticheskih Harakteristik Rotora Dar'e. Mezhdunarodnyy Nauchno-issledovatel'skiy Zhurnal. 2017;12 (54):134—141. (in Russian).
9. Kurenskiy A.V., Bondarenko A.A., Konchakov E.I. Eksperimental'nye Issledovaniya Aerodinamicheskih Harakteristik Vetroturbiny s Vertikal'noy Os'yu Vrashcheniya. Vologdinskie Chteniya. 2007;65:94—95. (in Russian).
10. Lisitsyn A.N., Zadorozhnaya N.M. O perspektivah Vetroenergetiki v Sovremennom Mire. Innovatsionnye Tekhnologii v Nauke i Obrazovanii: Sbornik Statey V Mezhdunar. Nauch.-prakt. Konf. Penza, 2017:36—42. (in Russian).
11. Tipy Vetroturbin, ih Moshchnost', Effektivnost' [Elektron. Resurs] http://www.solarhome.ru/basics/wind/ (Data Obrashcheniya 14.10.2017). (in Russian).
12. Janajreh I., Simiu E. Large Eddy Simulation of Wind Loads on a Low-rise Structure and Comparison with Wind Tunnel Results. Appl. Mechanics and Materials. 2012;152—154:1806—1813.
13. Lee Y.T., Lim H.C. Power Performance Improvement of 500W Vertical Axis Wind Turbine with Salient Design Parameters. Intern. J. Mechanical, Aerospace, Industrial, Mechatronic and Manufacturing Eng. 2016;10;1:84—88.
14. Bayramov F.D., Galimov N.S., Ivanov V.A. Puti Povysheniya Effektivnosti Vetrodvigateley Rotornogo Tipa s Vertikal'noy Os'yu Vrashcheniya v Megapolise. Nauchno-tekhnicheskiy Vestnik Povolzh'ya. 2014;2:99—102. (in Russian).
15. Govorova A.I. Matematicheskoe Modelirovanie Nestatsionarnogo Otryvnogo Obtekaniya Razomknutogo Kontura: Diss. … Kand. Fiz.-mat. Nauk. Omsk: Omskiy Gos. Un-t im. F.M. Dostoevskogo, 2015. (in Russian).
16. Serebryakov R.A., Dorzhiev S.S., Bazarova E.G. Sovremennoe Sostoyanie, Problemy i Perspektivy Razvitiya Vetroenergetiki. Aktual'nye Problemy Gumanitarnyh i Estestvennyh Nauk. 2016;3:13—20. (in Russian).
17. Sokolovskiy Yu.B., Sokolovskiy A.Yu. Povyshenie Effektivnosti Vetrovyh Energeticheskih Ustano- vok. Energosberezhenie. Energetika. Energoaudit. 2014;9 (127):28—37. (in Russian).
18. Paromov V.V., Zemtsov V.A., Kopysov S.G. Klimat Zapadnoy Sibiri v Fazu Zamedleniya Potepleniya (1986 — 2015 gg.) i Prognozirovanie Gidroklimaticheskih Resursov na 2021 — 2030 gg.. Izvestiya Tomskogo Politekhn. Un-ta. Seriya «Inzhiniring Georesursov». 2017;328;1:62—74. (in Russian).
19. Karta Vetrovyh Rayonov Rossii [Elektron. Resurs]http://www.angar21.ru/map-veter (Data Obrashcheniya 14.10.2017). (in Russian).
20. Kazakevich M.I., Kulyabko V.V. Vvedenie v Vibroekologiyu Zdaniy i Sooruzheniy. Dnepropetrovsk: PGASA, 1996. (in Russian).
---
For citation: Lebedev I.S., Bubenchikov A.A., Goryunov V.N., Khatsevsky K.V. Optimizing the Confuser Design of a Wind Power Plant for Regions with Unstably Low Wind Pressure. MPEI Vestnik. 2019;1:14—19. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2019-1-14-19.
Published
2018-02-15
Issue
Section
Power Stations and Electric Power Systems (05.14.02)
