Интернаука - Интернаука №16 ((часть2) 2020

стему генератора. Вихревая ветротурбина на самом

жет быть очень полезным, если он способен эмули-

деле не является турбиной, поскольку она не враща-

ровать особенности, которые сделали фотогальва-

ется. Ветрогенератор основан на явлении аэроупру-

нику главным источником энергии в распределен-

гого резонанса, поэтому устройство колеблется с

ной энергетике. По отношению к крупномасштаб-

тихим неагрессивным движением, что делает его

ной энергии ветра, оффшорная технология (турбины

идеальным для размещения в любом месте, не ме-

установлены в океане) очень перспективным. Одна

шая живой природе.

47

Журнал «Интернаука»

№ 16 (145), часть 2, 2020 г.

2. Резонанс

направлении потока ветра работают по фазе все

Резонансное явление возникает, когда колебание

вместе, достигнув более высокой производительно-

усиливается периодическим движением. В аэро-

сти.

упругости воздух может вызывать колебательное

движение в теле, если естественная резонансная

частота и вихревой поток частоты одинаковы. Эта

безлопастная ветряная турбина (которая на самом

деле не является турбиной) улавливает энергию вет-

ра с помощью резонансного явления, вызванного

аэродинамическим эффектом, называемым вихре-

вым потоком. В механике жидкости , когда ветер

проходит через затупленное тело, поток изменяется

и генерирует циклическую картину вихрей. Как

только частота этих сил достаточно близка к струк-

турной частоте тела, тело начинает колебаться и

входит в резонанс с ветром. Это также известно

как Вихревая Вибрация (VIV)[1].

Потеря вихря (рисунок 1) происходит периоди-

чески, с силами перпендикулярными к инциденту

направление ветрового потока. Существует посто-

янная пропорциональность St между средней скоро-

стью падающего потока ветра v, обратный его ха-

рактеристике длине Φ и частота вихревого потока f:

𝑓 = 𝑆𝑡𝑣 (1)

Ф

Рисунок 2. Эволюция диаметра мачты по высоте

Характеристическая длина цилиндрических

структур представляется в уравнении (1). Этот под-

ход хорошо подходит для статической структуры,

но со структурами, колебание которых не ничтожно,

можно доказать, что лучше подходит получено с:

Φ = D + a · X

Рисунок 1. 2D VIV контур давлений

(2)

где Φ-характеристическая длина, является сум-

Re= 416 y A/D = 0,2

мой, Х-амплитуда колебаний, D-сумма диаметр

матч, а

Такие аэродинамические резонансные явления

-поправочный коэффициент, зависящий от

числа Рейнольдса.

появляются периодически часто.

Предположим, гибкий и свобод-

ный стержень длиной L (рисунок 2) встроен в мачту

Как правило, направление ветра является пере-

(верхняя часть) и в грунт (нижняя часть). Рассмат-

менным. Вихревое образование, в отличие от других

ривая мачту как твердое тело, она способна коле-

динамических явлений, такие как трепетания или

баться под малыми углами, это приемлемо, потому

скачки, легко образуются в корпусах круглого сече-

что амплитуда колебаний Х равна нулю на высоте

ния.

Но с другой стороны, как правило, чем выше

у = L / 2[4].

вы от земли, тем больше увеличивается градиент

В этой позиции характерная длина со-

гласно

(2)

соответствует

диаметрумачты

ветра скорости. Экспоненциальный закон Гельма-

Φ = D (L / 2) = d и вихревая частота выпадения f со

на[2]хорошо описывает этот процесс. Вышеупомя-

скоростью ветра

нутые причины, вертикальная и стройная структура

𝑣

∞ (L / 2) составляет:

круглого сечения является более адекватным и луч-

шим для накопления энергии ветра, при этом не

𝑓 = 𝑆𝑡𝑣∞(𝐿2) (3)

требуя механического вала. Производительность в

𝑑

В любом другом разделе мачты, где значение

преобразовании кинетической энергии ветра в ме-

колебаний малы, вихревая частота будет выглядеть

ханическую энергию должна быть как можно ближе

так:

до предела Бетц [3]. Что касается этого, то мачта

является жесткой частью конструкции непосред-

ственно взаимодействуя с ветром. Как показано ни-

𝑓(𝑦) = 𝑆𝑡𝑣∞(𝑦) (4)

𝐷(𝑦)+𝑎𝑋(𝑦)

же, мы можем достичь синхронного выделения вих-

рей вдоль всей мачты путем изменения диаметра в

Где 𝑣∞ (y) и X (y) - скорость жидкости и ампли-

соответствии с высотой. Таким образом, перпенди-

туда колебаний мачты на каждой высоте у соответ-

кулярные силы в

ственно. Следовательно, H - расстояние между за-

48

Журнал «Интернаука»

№ 16 (145), часть 2, 2020 г.

земляющим якорем гибкого стержня и самой высо-

креплённой к земле.Обычные выпрямительные,

кой части устройства. Если смещение в верхней ча-

фильтрующие и электрические методы регулирова-

стиустройство в γ раз больше диаметра мачты, то:

ния в равной степени применимы как и на других

генераторах электроэнергии, гдевыход переменного

𝑋(𝑦) = 𝑦−𝐿/2 𝛾𝑑 (5)

тока сопутствует с переменной амплитудой и часто-

𝐻−𝐿/2

той.Другие более экзотические стратегии конверта-

ции механической энергия в электрическую энергии

Поскольку вихревая частота одинакова по всей

в настоящее время нет.

длине мачты, получаем:

4. Сопротивление усталости

Резонансные ветрогенераторы VIV характери-

𝐷(𝑦) = 𝑑 𝑣∞(𝑦) − 𝑎𝑋(𝑦) (6)

зуются отсутствием механических компонентов, из

𝑣∞(𝐿2)

– за которых возникает не желательное трение.

Правильная оценка градиента скорости, в том

Устройство имеет стержень из углеродного волокна,

подвергающееся динамической

числе эффект разрыва в верхней части мачты, долж-

ны служить для поиска того же вихревой частоты

выпадения по всей мачте. Для того, чтобы достичь

желаемого резонанса, эта частота должна совпадать

с частотой всей структуры нормального режима ко-

лебаний.

3. Генератор

Преобразование энергии в электричество можно

сделать разными способами. Поскольку колебание

устройства очень близки к кантилеверу, использо-

вание материалов с прочной электромеханической

связью будут уместны. Если сопротивление устало-

сти и плотность мощности этих материалов будут, в

будущем резонансные аэрогенераторы VIV смогут

интегрировать их. В настоящее время наиболее раз-

вит вариант получения электрической энергии это

электромагнитная индукция, особенно с помощью

генератора с постоянными магнитами. Наложение

исключительных мобильных валов и сферический

Рисунок 3. Расположение генератора и системы

переменный характер движения мачты обуславли-

настройки