Обзор конструктивных решений оборудования ветроэнергетических установок

  • Антон [Anton] Анатольевич [A.] Бубенчиков [Bubenchikov]
  • Виталий [Vitaliy] Игоревич [I.] Беляев [Belyaev]
  • Максим [Maksim] Александрович [A.] Голованов [Golovanov]
Ключевые слова: обзор конструкций, вертикально- и горизонтально-осевые ветроустановки

Аннотация

Цель исследования — поиск эффективных решений в ветроэнергетике для определения путей создания новых конструкций ветроэнергетических установок, обладающих лучшими энергетическими параметрами, была достигнута с помощью отбора и анализа результатов, приведенных в публикациях, соответствующих тематике исследования. Выполнены объединение наиболее перспективных технологий в единые конструкции и их моделирование в ПО SolidWorks и Ansys.

Описаны результаты исследований и сформированы тенденции развития технологий создания и повышения эффективности работы ветроэнергетических установок: применение цилиндров Магнуса, изменение конструкции лопастей, добавление дополнительных узлов и элементов, использование поперечно-осевых ветроэнергетических установок и концентраторов воздушного потока, постоянство выходной мощности ветроэнергетической установки вне зависимости от скорости набегающего потока воздуха, многороторные конструкции.

Предложены новые технические решения в области создания ветроколес для ветроэнергетических установок: контрроторная поперечно-осевая ветроэнергетическая установка с концентратором воздушного потока, ветроэнергетическая установка Magnus с дополнительными управляемыми лопатками, поперечно-осевая ветроэнергетическая установка с регулируемыми диаметром и высотой.

Результаты работы могут быть использованы при исследованиях в сфере ветроэнергетики, а также для анализа публикационной активности по тематикам, связанным с возобновляемыми источниками энергии и ветроэнергетическими установками, в частности, для изучения состояния вопроса при создании научно-исследовательских работ и диссертаций, связанных с эффективностью работы ветроэнергетических установок. Указаны проблемы, возникающие при дальнейшем использовании результатов работы для объединения отдельных тенденций, повышающих эффективность в одной ветроэнергетической установке, для максимального повышения эффективности.

Сведения об авторах

Антон [Anton] Анатольевич [A.] Бубенчиков [Bubenchikov]

кандидат технических наук, доцент Омского государственного технического университета, e-mail: privetomsk@mail.ru

Виталий [Vitaliy] Игоревич [I.] Беляев [Belyaev]

магистрант Омского государственного технического университета, e-mail: belyaevrestore@gmail.com

Максим [Maksim] Александрович [A.] Голованов [Golovanov]

магистрант Омского государственного технического университета, e-mail: interisto99@yandex.ru

Литература

1. International Energy Agency. Global Energy Rev., 2020 [Электрон. ресурс] www.iea.org/reports/global-energy-review-2020/electricity#abstract (дата обращения 10.05.2021).
2. Глобальные энергетические тенденции 2020 [Электрон. ресурс] www.enerdata.ru/publications/reports-presentations/world-energy-trends.html (дата обращения 10.05.2021).
3. ГОСТ Р 51990—2002. Нетрадиционная энергетика. Ветроэнергетика. Установки ветроэнергетические.
4. Richmond-Navarro G. e. a. A Magnus Wind Turbine Power Model Based on Direct Solutions Using the Blade Element Momentum Theory and Symbolic Regression // IEEE Trans. Sustainable Energy. 2016. V. 8. No. 1. Pp. 425—430.
5. Bychkov N.M., Dovgal A.V., Sorokin A.M. Parametric Optimization of the Magnus Wind Turbine // Proc. Intern. Conf. Methods of Aerophysical Research. 2008. Pp. 1—5.
6. Pat. 12522538 USA. Magnus Type Wind Power Generator. Murakami N. 2010.
7. Demidova G.L. e. a. Magnus Wind Turbine: Finite Element Analysis and Control System // Proc. Intern. Symp. Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion. 2020. Pp. 59—64.
8. Chetan S. e. a. Analysis of a New Horizontal Axes Wind Turbine with 6/3 blades // Proc. IEEE Intern. Conf. Automation, Quality and Testing, Robotics. 2018. Pp. 1—4.
9. Ragheb A., Ragheb M. Wind Turbine Gearbox Technologies // Proc. I Intern. Nuclear & Renewable Energy Conf. 2010. Pp. 1—8.
10. Newman B.G. Multiple Actuator-disc Theory for Wind Turbines // J. Wind Eng. and Industrial Aerodynamics. 1986. V. 24. No. 3. Pp. 215—225.
11. Shen W.Z. e. a. Analysis of Counter-rotating Wind Turbines // J. Physics: Conf. Series. IOP Publ. 2007. V. 75. No. 1. P. 012003.
12. Habash R.W.Y. e. a. Performance of a Contrarotating Small Wind Energy Converter // Intern. Scholarly Research Notices. 2011. Pp. 1—10.
13. Mitulet L.A. e. a. Wind Tunnel Testing for a New Experimental Model of Counter-rotating Wind Turbine // Proc. Eng. 2015. V. 100. Pp. 1141—1149.
14. Jung S.N., No T.S., Ryu K.W. Aerodynamic Performance Prediction of a 30 kW Counter-rotating wind Turbine System // Renewable Energy. 2005. V. 30. No. 5. Pp. 631—644.
15. Ozbay A., Tian W., Hu H. An Experimental Investigation on the Aeromechanics and Near Wake Characteristics of Dual-rotor Wind Turbines // Proc. 32nd ASME Wind Energy Symp. 2014. P. 1085.
16. Sunny K.A., Kumar P., Kumar N.M. Experimental Study on Novel Curved Blade Vertical Axis Wind Turbines // Results Eng. 2020. V. 7. P. 100149.
17. Yan J., Li G., Liu K. Development Trend of Wind Power Technology // UMBC Student Collection. 2020. V. 7. Pp. 124—132.
18. Fadil J., Soedibyo S., Ashari M. Novel of Vertical Axis Wind Turbine with Variable Swept Area Using Fuzzy Logic Controller // Intern. J. Intelligent Eng. and Syst. 2020. V. 13. No. 3. Pp. 256—267.
19. Suffer K.H., Hussain A.K., Hussain S. Modeling of the Aerodynamics of the Integrated Four Blades (VAWT) Having Movable Vanes // Proc. AIP Conf. 2020. V. 2213. No. 1. P. 020133.
20. Su J. e. a. Investigation of V-shaped Blade for the Performance Improvement of Vertical Axis Wind Turbines // Appl. Energy. 2020. V. 260. P. 114326.
21. Vilar A.A., Xydis G., Nanaki E.A. Small Wind: a Review of Challenges and Opportunities // Sustaining Resources for Tomorrow. 2020. Pp. 185—204.
22. Seralathan S. e. a. Experimental and Numerical Studies on a Cross Axis Wind Turbine // Proc. II Intern. Conf. Power and Embedded Drive Control. 2019. Pp. 185—190.
23. Wang W.C., Wang J.J., Chong W.T. The Effects of Unsteady Wind on the Performances of a Newly Developed Cross-axis Wind Turbine: a Wind Tunnel Study // Renewable Energy. 2019. V. 131. Pp. 644—659.
24. Ogawa S., Nomura T., Hata N. Study on Horizontal Type Turbine Driven by Longitudinal Vortex System // Proc. XIV Intern. Conf. Motion and Vibration. Daejeon Convention Center, 2018. Pp. 249—250.
25. Wang X.H. e. a. Experimental Investigation of a Diffuser-integrated Vertical Axis Wind Turbine // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Sci. IOP Publ. 2020. V. 463. No. 1. P. 012153.
26. Kuang L. e. a. Power Performance and Aerodynamic Characteristics for a Straight-bladed Vertical Axis Wind Turbine with an External Diffuser // Proc. 30th Intern. Ocean and Polar Eng. Conf. International Society of Offshore and Polar Engineers, 2020.
27. Mandal A.K., Rana K.B., Tripathi B. Experimental Study on Performance Improvement of a Savonius Turbine by Equipping with a Cylindrical Cowling // Energy Sources. Pt. A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2020. Pp. 1—19.
28. Thangavelu S.K., Goh C.Y., Sia C.V. Design and Flow Simulation of Concentrator Augmented Wind Turbine // IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2019. V. 501. No. 1. P. 012041.
29. Li Y. e. a. Aerodynamic Characteristics of Straight-bladed Vertical Axis Wind Turbine with a Curved-outline Wind Gathering Device // Energy Conversion and Management. 2020. V. 203. P. 112249.
30. Кошумбаев М.Б., Кошумбаев А.М. Численное моделирование вихревого процесса в ветровом агрегате // European Sci. 2019. № 2(44). C. 6—12.
31. Moleón Baca J.A., Expósito González A.J., Gutiérrez Montes C. Analysis of the Patent of a Protective Cover for Vertical-axis Wind Turbines (VAWTs): Simulations of Wind Flow // Sustainability. 2020. V. 12. No. 18. P. 7818.
32. Chong W.T. e. a. Performance Analysis of the Deflector Integrated Cross Axis Wind Turbine // Renewable Energy. 2019. V. 138. Pp. 675—690.
---
Для цитирования: Бубенчиков А.А., Беляев В.И., Голованов М.А. Обзор конструктивных решений оборудования ветроэнергетических установок // Вестник МЭИ. 2022. № 2. С. 34—44. DOI: 10.24160/1993-6982-2022-2-34-44.
#
1. International Energy Agency. Global Energy Rev., 2020 [Elektron. Resurs] www.iea.org/reports/global-energy-review-2020/electricity#abstract (Data Obrashcheniya 10.05.2021).
2. Global'nye Energeticheskie Tendentsii 2020 [Elektron. Resurs] www.enerdata.ru/publications/reports-presentations/world-energy-trends.html (Data Obrashcheniya 10.05.2021). (in Russian).
3. GOST R 51990—2002. Netraditsionnaya Energetika. Vetroenergetika. Ustanovki Vetroenergeticheskie. (in Russian).
4. Richmond-Navarro G. e. a. A Magnus Wind Turbine Power Model Based on Direct Solutions Using the Blade Element Momentum Theory and Symbolic Regression. IEEE Trans. Sustainable Energy. 2016;8;1:425—430.
5. Bychkov N.M., Dovgal A.V., Sorokin A.M. Parametric Optimization of the Magnus Wind Turbine. Proc. Intern. Conf. Methods of Aerophysical Research. 2008:1—5.
6. Pat. 12522538 USA. Magnus Type Wind Power Generator. Murakami N. 2010.
7. Demidova G.L. e. a. Magnus Wind Turbine: Finite Element Analysis and Control System. Proc. Intern. Symp. Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion. 2020:59—64.
8. Chetan S. e. a. Analysis of a New Horizontal Axes Wind Turbine with 6/3 blades. Proc. IEEE Intern. Conf. Automation, Quality and Testing, Robotics. 2018:1—4.
9. Ragheb A., Ragheb M. Wind Turbine Gearbox Technologies. Proc. I Intern. Nuclear & Renewable Energy Conf. 2010:1—8.
10. Newman B.G. Multiple Actuator-disc Theory for Wind Turbines. J. Wind Eng. and Industrial Aerodynamics. 1986;24;3:215—225.
11. Shen W.Z. e. a. Analysis of Counter-rotating Wind Turbines. J. Physics: Conf. Series. IOP Publ. 2007;75;1:012003.
12. Habash R.W.Y. e. a. Performance of a Contrarotating Small Wind Energy Converter. Intern. Scholarly Research Notices. 2011:1—10.
13. Mitulet L.A. e. a. Wind Tunnel Testing for a New Experimental Model of Counter-rotating Wind Turbine. Proc. Eng. 2015;100:1141—1149.
14. Jung S.N., No T.S., Ryu K.W. Aerodynamic Performance Prediction of a 30 kW Counter-rotating wind Turbine System. Renewable Energy. 2005;30;5:631—644.
15. Ozbay A., Tian W., Hu H. An Experimental Investigation on the Aeromechanics and Near Wake Characteristics of Dual-rotor Wind Turbines. Proc. 32nd ASME Wind Energy Symp. 2014:1085.
16. Sunny K.A., Kumar P., Kumar N.M. Experimental Study on Novel Curved Blade Vertical Axis Wind Turbines. Results Eng. 2020;7:100149.
17. Yan J., Li G., Liu K. Development Trend of Wind Power Technology. UMBC Student Collection. 2020;7:124—132.
18. Fadil J., Soedibyo S., Ashari M. Novel of Vertical Axis Wind Turbine with Variable Swept Area Using Fuzzy Logic Controller. Intern. J. Intelligent Eng. and Syst. 2020;13;3:256—267.
19. Suffer K.H., Hussain A.K., Hussain S. Modeling of the Aerodynamics of the Integrated Four Blades (VAWT) Having Movable Vanes. Proc. AIP Conf. 2020;2213;1:020133.
20. Su J. e. a. Investigation of V-shaped Blade for the Performance Improvement of Vertical Axis Wind Turbines. Appl. Energy. 2020;260:114326.
21. Vilar A.A., Xydis G., Nanaki E.A. Small Wind: a Review of Challenges and Opportunities. Sustaining Resources for Tomorrow. 2020:185—204.
22. Seralathan S. e. a. Experimental and Numerical Studies on a Cross Axis Wind Turbine. Proc. II Intern. Conf. Power and Embedded Drive Control. 2019:185—190.
23. Wang W.C., Wang J.J., Chong W.T. The Effects of Unsteady Wind on the Performances of a Newly Developed Cross-axis Wind Turbine: a Wind Tunnel Study. Renewable Energy. 2019;131:644—659.
24. Ogawa S., Nomura T., Hata N. Study on Horizontal Type Turbine Driven by Longitudinal Vortex System. Proc. XIV Intern. Conf. Motion and Vibration. Daejeon Convention Center, 2018:249—250.
25. Wang X.H. e. a. Experimental Investigation of a Diffuser-integrated Vertical Axis Wind Turbine. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Sci. IOP Publ. 2020;463;1:012153.
26. Kuang L. e. a. Power Performance and Aerodynamic Characteristics for a Straight-bladed Vertical Axis Wind Turbine with an External Diffuser. Proc. 30th Intern. Ocean and Polar Eng. Conf. International Society of Offshore and Polar Engineers, 2020.
27. Mandal A.K., Rana K.B., Tripathi B. Experimental Study on Performance Improvement of a Savonius Turbine by Equipping with a Cylindrical Cowling. Energy Sources. Pt. A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects. 2020:1—19.
28. Thangavelu S.K., Goh C.Y., Sia C.V. Design and Flow Simulation of Concentrator Augmented Wind Turbine. IOP Conf. Series: Materials Sci. and Eng. 2019;501;1:012041.
29. Li Y. e. a. Aerodynamic Characteristics of Straight-bladed Vertical Axis Wind Turbine with a Curved-outline Wind Gathering Device. Energy Conversion and Management. 2020;203:112249.
30. Koshumbaev M.B., Koshumbaev A.M. Chislennoe Modelirovanie Vikhrevogo Protsessa v Vetrovom Agregate. European Sci. 2019; 2(44):6—12. (in Russian).
31. Moleón Baca J.A., Expósito González A.J., Gutiérrez Montes C. Analysis of the Patent of a Protective Cover for Vertical-axis Wind Turbines (VAWTs): Simulations of Wind Flow. Sustainability. 2020;12;18:7818.
32. Chong W.T. e. a. Performance Analysis of the Deflector Integrated Cross Axis Wind Turbine. Renewable Energy. 2019;138:675—690.
---
For citation: Bubenchikov A.A., Belyaev V.I., Golovanov M.A. A Review of Design Solutions for Wind Power Plant Equipment. Bulletin of MPEI. 2022;2:34—44. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2022-2-34-44.
Опубликован
2021-06-08
Раздел
Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии (05.14.08)