Размещено на http://www.allbest.ru/

Математическая модель для исследования характеристик и режимов работы ветроэнергетической установки с крыльчатым ветроприемником

Беляков П.Ю., Профессор Международного

Института компьютерных технологий,

Рябов Д.Ю., Аспирант Международного

Института компьютерных технологий

Технологии использовании возобновляемых источников энергии в последние два десятилетия привлекают внимание специалистов всего мира. В первую очередь это связано с регулярным повышением цен на ископаемые топлива и продолжающимся ухудшением экологической обстановки. «Европейская энергетическая хартия», принятая 17 декабря 1991 года как политическая декларация 53 государств, во многом предопределила направление развития энергетики Европы и мира в целом. Так, одним из положений хартии является обеспечение экологически чистого производства электроэнергии, которое, в частности, осуществляется при использовании энергии возобновляемых источников.

Наиболее динамично на фоне прочих направлений развивается ветроэнергетика. Во всем мире примерно с 1980 года наблюдается непрерывный рост установленной мощности ВЭУ. Развитие Российской ветроэнергетики в последние годы также идет весьма высокими темпами, что обуславливает необходимость разработки инженерных методов оптимизации проектирования и управления ветроэнергетическими комплексами. Однако стоимость вет-роустановок до настоящего времени остается относительно высокой. В связи с этим существует проблема повышения их эффективности, которая включает в себя на только совершенствование аэродинамических характеристик ветроприемников, но и обеспечение оптимального управления работой установки в целом с целью достижения максимального КПД. Прежде всего это относится к маломощным устройствам (до 50 кВт), для которых применение оптимального управления до недавнего времени считалось невыгодным и необязательным.

При проведении исследований и разработок в области ветроэнергетики широко используются физические и математические модели, так как натурные эксперименты не всегда возможны как по техническим, так и по экономическим соображениям.

Математическая модель описывает реальный объект лишь с некоторой степенью приближения (детализации). При этом вид модели зависит как от природы исследуемого объекта, так и от задач исследования, методики моделирования, необходимой точности описания объекта. Общепринятым является разделение математического моделирования на три основных вида: аналитическое, имитационное и комбинированное [1,2].

Характерной особенностью аналитического моделирования является описание процессов функционирования элементов моделируемой системы в виде некоторых соотношений ? дифференциальных, интегро-дифференциальных, конечно-разностных либо логических условий. Аналитическая модель может быть исследована следующими методами [3, 4]:

а) аналитическим (при этом целью является получение различных зависимостей для искомых характеристик в общем виде);

б) численным (в этом случае целью являет ся получение численных результатов при определенных начальных данных, и решение в общем виде не находится);

в) качественным (решение в явном виде отсутствует, но можно оценить некоторые свойства решения).

С развитием вычислительной техники появилась возможность проводить достаточно точное моделирование различных систем численными методами. При этом значительно сокращаются расходы на проведение непосредственного эксперимента, так как многие параметры модели уточняются еще в ходе компьютерного моделирования. Кроме того, существует ряд задач, при решении которых постановка опыта на реальной модели просто невозможна или экономически неоправданна.

энергия ветроэнергетический крыльчатый возобновляемый

В большинстве случаев современные средства моделирования позволяют обеспечить высокий уровень адекватности модели. Одним из таких средств является Simulink ? интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа динамических систем. Он дает возможность строить графические блок-диаграммы, имитировать динамические системы, исследовать работоспособность систем и совершенствовать проекты. Simulink полностью интегрирован с прикладным пакетом MATLAB, обеспечивая доступ к широкому спектру инструментов анализа и проектирования.

В научно-исследовательской лаборатории технологий энергетики возобновляемых источников Международного института компьютерных технологий (г. Воронеж) проводятся исследования в области методов и средств оптимального управления энергогенерирующими электротехническими комплексами на базе ветроэнергетических установок (ВЭУ). В ходе исследований разработана комбинированная модель ВЭУ, реализованная в Simulink. В основу модели положена теория реального крыльчато-го ветроколеса профессора Г.Х. Сабинина [5].

Согласно данной теории, крутящий момент на валу ветроколеса указанного типа создается аэродинамическими силами, возникающими при взаимодействии ветра с рабочими поверхностями крыльев, поперечные сечения которых имеют специальную форму (рис. 1).

Перечисленные соотношения положены в основу математической модели, реализованной с использованием программного обеспечения из пакета MATLAB - Simulink (рис. 2).

Входные переменные модели разделены на две категории:

- конструктивные параметры установки (максимальный и минимальный диаметры ветроколеса, максимальная и минимальная шири на лопасти, число лопастей, момент инерции, оптимальный угол атаки, аэродинамические коэффициенты профиля крыла);

- независимые входные переменные (скорость ветра, плотность воздуха, момент нагрузки на валу, угол установки крыла (шаг)…).

Описание зависимостей коэффициентов С_y и С_x от угла атаки (б) создается внутри модели с использованием интерполяционного полинома Лагранжа..

К несомненным достоинствам модели следует отнести возможность исследования переходных режимов, возникающих при изменениях скорости ветра и нагрузки на главном валу.

На рис. 3 и 4 показаны изменения во времени энергетических параметров ВЭУ в различных режимах работы.

Результаты вычислительного эксперимента по динамике ВЭУ использованы при разработке микропроцессорной системы управления. С помощью модели определен оптимальный закон управления и разработана адаптивная система автоматического регулирования ветроэнергетического комплекса, позволяющая повысить его энергоотдачу.

Разработанная модель позволяет при известных конструктивных параметрах ВЭУ получить для различных скоростей ветра механические и энергетические характеристики, оптимальные сочетания значений шага лопастей, частоты вращения и момента нагрузки и закон управления, обеспечивающий максимум коэффициента использования энергии ветра.

Литература

1. Веников В.А., Веников Г.В. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа, 1984. 439 с.

2. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. М.: Высшая школа, 1999. 271 с.

3. Симанков B.C., Зангиев Т.Т. Системный анализ при решении структурных задач альтернативной энергетики / Институт современных технологий и экономики. Краснодар, 2001. 151 с., ил.

4. Математическое моделирование: Методы, описания и исследования сложных систем / Под ред. А.А. Самарского. М.: Наука, 1989. 271 с.

5. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. Государственное издательство сельско-хояйственной литературы. Москва, 1957. 532 с.

Размещено на Allbest.ru