Создание мультифункционального лабораторного стенда для изучения ВЭУ

В данной работе студентами НИУ МЭИ была разработана настольная аэродинамическая труба для проведения лабораторных занятий на кафедре ГВИЭ и изучения характеристик модельных ветрогенарторов. Полученная модель обладает лучшими качествами по сравнению с используемой ранее.

1.  Описание лабораторного стенда «Натурная модель ВЭУ».

Комплект типового лабораторного оборудования «Нетрадиционная электроэнергетика – Натурная модель ветроэлектрогенератора» НЭЭ2- ВЭГ-Н-Р предназначен для проведения лабораторно-практических занятий по дисциплинам «Проектирование и эксплуатация СЭС и ВЭС» и «Возобновляемые источники энергии». Лабораторный стенд позволяет получать основные механические рабочие характеристики ветроэлектрической установки наглядным способом на натурной модели ВЭУ.

Лабораторный стенд состоит из следующих элементов и блоков (рис. 1):

1.  Ветроэлектрогенератор (поз. 1 на рис. 1);

2.  Блок нагрузки и измерения (поз. 2 на рис. 1);

3.  Вентилятор напольный (поз. 3 на рис. 1);

4.  Анемометр (поз. 4 на рис. 1);

5.  Тахометр на подставке (поз. 5 на рис. 1).

Рисунок 1. Внешний вид лабораторного стенда «Натурная модель ВЭУ»

Вентилятор напольный предназначен для создания ветрового потока заданной скорости. Регулирование скорости ветрового потока осуществляется переключением скорости вращения вентилятора и изменением расстояния между вентилятором и ветроэлектрогенератором. Блок нагрузки и измерения предназначен для моделирования нагрузки и измерения режимных параметров ветроэлектрогенератора. Технические характеристики блока нагрузки и измерения приведены в табл. 1.

Таблица 1.

Технические характеристики блока нагрузки и измерения

Анемометр позволяет измерять скорость ветрового потока в диапазоне 0…30 м/с. Тахометр имеет предел измерений 0 … 10000 м/с [1].

2.  В процессе использования лабораторного стенда по изучению характеристик натурной модели ветроэлектрической установки был выявлен ряд проблем, которые было необходимо решить в данной работе:

a)  Неравномерность ветрового потока по скоростям в пространстве и времени, вызванные несовершенством напольного вентилятора. В связи с этим получаем неравномерное поле скоростей и непостоянные характеристики ВЭУ;

b)  Турбулентные и встречные потоки, вызванные наличием помех;

c)   Недостаточность регулировочного диапазона скоростей воздушного потока (3 фиксированные скорости вращения вентилятора) для максимального использования возможностей стенда.

Актуальность данной работы состоит в том, что в связи с несовершенством, возможности лабораторного стенда ограничены, а выполнение работы требует избегать многих факторов, негативно влияющих на результаты измерений.

3.  Основной задачей при проектировании настольной аэродинамической трубы являлась стабилизация ветрового поток при условии сохранения мобильности и простоты конструкции стенда.

При поиске оптимальной конструкции аэродинамической трубы были изучены и проработаны разные варианты исполнения.

Так, были изучены возможности создания:

a)  Полуцилиндрической трубы, с жесткими стенками;

b)  Цилиндрической трубы большого радиуса, который и был выбран в качестве основы для прототипа.

·     Основой для цилиндрической трубы прототипа был взят листовой поликарбонат.

·     Диаметр трубы (450 мм) был выбран исходя из размеров натурной модели трёхлопастного ветроэлектрогенератора.

·     Длина трубы (1 м) была выбрана на основании проведенных ранее опытов, где выбиралось расстояние от вентилятора до оси ветроэлеткрогенератора для оптимизации заданной скорости ветрового потока.

·     Труба установлена на двух опорах, обеспечивающих устойчивость конструкции.

·     В ходе тестовых испытаний было выяснено, что имеющийся напольный вентилятор (60 Вт) не мог обеспечить стабильности ветрового потока и постоянной скорости вращения ветроэлектрогенератора. Для обеспечения более стабильного потока был выбран новый вентилятор под заданные размеры, мощностью 120 Вт.

·     Для расширения регулировочного диапазона и плавной регулировки скорости воздушного потока был подобран оптимальный диммер, позволивший регулировать скорость ветрового потока от 0,9 до 7,1 м/с.

·     В связи с необходимостью измерения скорости вращения ветроколеса с помощью тахометра, было принято решение сделать отверстие диаметром 30 мм для беспрепятственного прохождения светового луча тахометра.

·     Для равномерного распределения ветрового потока по радиальному сечению трубы, на расстоянии 20 см от оси вентилятора, была дополнительно установлена ламинирующая сетка.

Итоговая конструкция представляет собой:

Рисунок 2. Прототип аэродинамической трубы в профиль

4.  После окончания сборки всей установки и проведения лабораторных опытов были получены следующие результаты:

a)  С помощью аэродинамической трубы и нового вентилятора удалось добиться ламинарности воздушного потока, избежать посторонних помех, минимизимировать потери ветрового потока. В результате, характеристики лабораторного ветроэлектрогенератора стали более приближенными к характеристикам реальной ВЭУ.

b)  С помощью диммера добились плавности и более широкого диапазона регулировки скоростей от 0,9 до 7,1 м/с.

5.  Планы и дальнейшая работа со стендом.

1)  В связи с изменившимися условиями проведения опытов, заменой имеющегося оборудования и добавлением нового, было принято решение переработать «Руководство по выполнению базовых экспериментов» [2].

2)  На данной установке будет проведен ряд экспериментов и опытов, не связанных непосредственно с имеющейся ВЭУ, что делает данную установку мультифункциональной.