Наука и технологии России

Вход Регистрация

Между ветро и гидро

В России ветроэнергетика развивается пока на уровне лозунгов. Не сравнить, например, с Данией, где в ближайшие несколько лет собираются довести потребление энергии возобновляемыми источниками, в том числе ветром, до 30%. Западные учёные прикладывают массу усилий, чтобы повысить количество вырабатываемой ветряками энергии. Российские тоже работают в этом направлении, надеясь, что их результаты будут востребованы и у нас в стране. В Институте теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения РАН (ИТ СО РАН) решают одну из научных задач – ищут новые подходы в бесконтактной диагностике для оптимизации рабочих колёс осевых турбин.

Справка:
Проект «Новые подходы в диагностике и оптимизации рабочих колёс осевых турбин» выполнялся в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям научно-технологического комплекса» совместно с зарубежным партнёром. Это была программа 1.9, которая предусматривала проведение исследований в кооперации с иностранным партнёром – Датским техническим университетом

В работе с ветром и водой главная задача добиться энергоэффективности – повысить количество вырабатываемой энергии. Но при интенсификации режимов работы ветро- или гидротурбины возникает проблема безопасности. Получаются два противоположных фактора: увеличение эффективности, по возможности больше выжать из турбины, и безопасность, от которой зависит состояние окружающей среды, акустический и виброшум (в ветроэнергетике) либо резонансные свойства самих водоводов (в гидроэнергетике).

Институт теплофизики давно сотрудничает с одним из основных производителей гидротурбин – Ленинградским металлическим заводом (ЛМЗ), в настоящее время входящим в холдинг ОАО «Силовые машины». Лаборатория водяных турбин ЛМЗ оснащена современной бесконтактной измерительной техникой – лазерными доплеровскими анемометрами, системой цифровой трассерной визуализации, созданной в ИТ СО РАН. На моделях гидротурбин проводятся исследования характеристик гидропотока позади рабочего колеса турбины. Это одно из направлений в исследованиях сибирских учёных. А второе связано с ветроэнергетикой.

Игорь_Наумов Игорь Наумов на конференции по ветроэнергетике EWEA (The European Wind Energy Association) – 2012 год, Копенгаген

«В ветроэнергетике очень важны характеристики вихревого следа, – объясняет ответственный исполнитель проекта, старший научный сотрудник ИТ СО РАН доктор технических наук Игорь Наумов. – Сами ветряки ставятся, как правило, не поодиночке, а в парках. Поэтому характеристики вихревого следа позади ветрогенератора существенно влияют на следующие ветряки в парке. Необходимо исследовать и знать механизмы, как вихревая система разрушается, насколько далеко это происходит ниже по потоку от самого ветряка, сколько он отбирает энергии у ветра и какая часть ветра достаётся следующему ветряку. Здесь много вопросов, на которые учёные пока не знают точных ответов».

Структура_вихревого_следа Структура вихревого следа позади модели ротора ветрогенератора. Скоростной видеосъёмкой проведена визуализация флуоресцентным красителем вихревого следа позади модели ротора ветрогенератора. Наблюдаются концевые вихри, сходящие с кромок лопаток ротора

Сотрудники ИТ СО РАН уже давно сотрудничают с коллегами из крупнейшего политехнического вуза Европы – Датского технического университета (коммуна Люнгбю-Торбек к северу от Копенгагена). Дания – один из лидеров в ветроэнергетике, у неё нет своего угля и газа, поэтому большое внимание уделяется возобновляемым источникам энергии. Западный мир в этом направлении уже работает 30–40 лет. Проводя совместные эксперименты в области ветроэнергетики, российские учёные получают доступ к базам данных, к статьям, ко всему наработанному материалу. А со своей стороны предоставляют экспериментальный опыт, новые методики диагностики.

Поле_скорости_позади_ротора_ветрогенератора Поле скорости позади ротора ветрогенератора при условном осреднении мгновенных полей скорости, полученных оптико-лазерным методом (PIV). Приведены распределения осевой (u), радиальной (v) и окружной (w) компонент вектора скорости в вихревом следе позади модели ротора ветрогенератора

Кафедра механики жидкостей факультета ветроэнергетики Датского технического университета специализируется на аналитическом, численном и экспериментальном исследовании вихревых следов и их характеристик позади моделей роторных систем. При определённых режимных параметрах (таких как скорость вращения ротора, скорость набегающего потока, размеры) получаются модели, которые сопоставимы с реальными по своим характеристикам. Исследовать 60-метровый ротор, у которого лопасть 30 метров, а диаметр 60 метров, в натурном эксперименте гораздо сложнее, чем модель того же ротора размером 0,3–0,6 метра в диаметре в водном канале. При соблюдении условий подобия получаются характеристики вихревого следа, сходные между собой.

Трёхмерное_представление_структуры_вихревого_следа Трёхмерное представление структуры вихревого следа, выполненное сотрудниками ДТУ по полученным экспериментальным данным

Датские коллеги изготавливали роторные системы по оптимальной модели Жуковского и Беца. У них измерительные водные каналы достаточно большие, хорошее оборудование. А российские партнёры проводили на их стендах испытания роторных систем. Была предпринята попытка сделать какое-то обобщение между «ветро» и «гидро».

«В совместном с ДТУ научно-исследовательском проекте мы проводили аналитические, численные, экспериментальные исследования моделей, – говорит Игорь Наумов. – Мы разработали и проанализировали новые подходы в оптико-лазерной диагностике. Получили ряд патентов, опубликовали более десяти статей в рейтинговых журналах, больше половины из них в соавторстве с датскими коллегами. Используя созданные методики, можно работать над конкретными формами и размерами тех же лопаток в гидро- и ветроэнергетике, получать более эффективные системы. В научном плане можно продолжать искать соприкосновения и предпринимать попытки обобщения между “гидро” и “ветро”, что позволит оптимизировать и обезопасить все эти системы».

Измерение_пульсационных_характеристик_вихревого_следа_лазерным_доплеровским_анемометром Измерение пульсационных характеристик вихревого следа лазерным доплеровским анемометром на стендах Датского технического университета

О перспективах использования научных результатов в России сибирские учёные рассуждают сдержанно. В советское время в стране действовала единая энергетическая система, благодаря которой происходило перераспределение энергии между районами с пиком нагрузки по электричеству и теми, где был спад. В настоящее время на Западе выстраивают такую же систему, объединяя все ветряки в одну сеть для накопления и передачи энергии. В России теперь основную роль в перераспределении энергии играют ГЭС, поскольку на атомных и тепловых станциях изменить режим выработки энергии довольно проблематично. У нас в стране уже принято решение, что для оперативного перераспределения энергии будут использоваться ветроэнергетические парки, работающие в единой связке с атомными и тепловыми станциями. Кроме того, использование ветроэнергетики особенно актуально для отдалённых районов Севера, куда сложно доставлять топливо. Например, на Кольском полуострове, Камчатке, прибрежных территориях с большой скоростью ветра уже стоят автономные станции. Конечно, это всё достаточно затратно. На Западе уже ставят ветроэнергетические установки до сотен мегаватт. Срок службы каждой из них около 15 лет. За эти годы она вырабатывает энергии как раз столько, чтобы окупить свою разработку, изготовление, монтаж. Но у них просто нет другого выхода – нет газа и угля. В России, пока есть доступные газ, нефть и уголь, такие затраты на массовую ветроэнергетику, наверное, не будут ещё в полной мере оправданны. Однако полученные в ходе проекта результаты можно с успехом использовать в различных отраслях российской экономики, где необходимо точное измерение кинематических характеристик нестационарных потоков жидкости и газа. Данная работа фактически определила научное направление, связанное с разработкой методов и устройств оптико-лазерной диагностики формирования и распада винтовых вихревых следов позади ротора ветро- и гидроагрегатов. Это имеет важное научное и прикладное значение – как для экспериментальной вихревой гидродинамики, так и для промышленных технологий, связанных с необходимостью точных бесконтактных измерений кинематических параметров движущихся объектов.

РЕЙТИНГ

0
голосов: 0

Галереи

Выставка по итогам ФЦП «Исследования и разработки 2007–2013»

25–27 апреля 2013 года в зале «Форум-холл» в Москве прошла выставка, посвящённая окончанию федеральной целевой программы «Исследования и разработки» на 2007–2013 годы. На выставке было представлено всего около пяти процентов участников программы в областях живых систем, медицины, экологии, энергосбережения, биотехнологий, вычислительной техники и новых материалов, но даже они заняли почти двести стендов. В первый день работы выставку осмотрел заместитель министра образования и науки РФ Игорь Федюкин.

54 фото

Обсуждение