Оптимизация алгоритма определения дифференциальной ошибки угла отклонения анеморумбометра ветроэнергетической установки на основе нестационарной аэродинамики и кинематики с учетом деформации профиля скорости потока

Ветроэнергетика во многих странах мира выделилась в отдельную отрасль и играет существенную роль в национальных энергобалансах. Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) в основном представлены традиционными горизонтально-осевыми конструкциями, имеющими известный существенный недостаток – необходимость ориентации ротора на ветер. С учетом того, что ежегодный вклад мировой ветроиндустрии в выработку электроэнергии составляет свыше 3 процентов от общего мирового объема или ориентировочно 900 ТВт-часов, системные потери, составляющие 10-30 процентов от объема выработки и возникающие из-за ошибок ориентации ротора (погрешности коллинеарности между вектором набегающего потока ветра и проекцией оси вращения ротора на горизонтальную плоскость), являются весьма существенными и представляют собой актуальную фундаментальную проблему. Суть системной проблемы заключается в том, что флюгер анеморумбометра (датчик направления ветра), расположенный в подавляющем большинстве на задней части гондолы ВЭУ, циклично отклоняется за счет паразитного завихренного потока, создаваемого лопастью, периодически перерезающей поток при ее вращении. За счет этого усредненные показания угла направления ветра, выдаваемые анеморумбометром системе управления ориентацией, содержат дифференциальную ошибку. В результате чего ротор ВЭУ ориентируется на набегающий поток ветра также с соответствующей ошибкой, что приводит к уменьшению активной ометаемой площади ротора и, соответственно, к потерям мощности. Усреднение показаний не решает проблему, поскольку при малых периодах дифференциальная ошибка является существенной, а при длительных периодах усреднения ротор ВЭУ долго находится в дезориентированном состоянии. И в том и другом случае неверная ориентация ротора приводит к потере мощности за счет уменьшения его активной ометаемой площади. В настоящее время эта проблема решается косвенно с помощью различных способов корректировки и усреднения показаний, мониторинга и внедрения дорогостоящих систем типа LiDAR и SoDAR, позволяющих производить более точную ориентацию ротора ВЭУ. Прямых способов вычисления и устранения дифференциальной ошибки показаний анеморумбометра не выявлено. Результаты публикационного анализа и предварительно проведенных исследований доказывают возможность увеличения выработки электроэнергии горизонтально-осевыми ветроэнергетическими установками на 5-20 процентов за счет снижения ошибки ориентации. При этом экономический эффект от прироста выработки энергии на мировом рынке по предварительным расчетам составит 7,2 млрд. долларов в год. Решение проблемы снижения ошибки ориентации возможно с помощью программной оптимизации усреднения угла отклонения анеморумбометра на основе знаний о текущих параметрах нестационарной аэродинамики и кинематики анеморумбометра с учетом деформации профиля скорости от движения лопасти. При этом алгоритм оптимизации является универсальным и зависит только от конструктивных особенностей флюгера анеморумбометра, что позволит внедрить его во все без исключения системы управления ВЭУ, имеющие в составе типовые анеморумбометры. Такой подход позволит полностью исключить дорогостоящий мониторинг, снизить ошибку ориентации ротора до +/- 1 градуса, и при этом не потребует внесения каких-либо изменений в конструкцию ветроэнергоустановки. Изменения касаются только программного обеспечения в части алгоритмов обработки показаний анеморумбометра и управления ориентацией. Новизна проекта заключается в результатах детального исследования аэродинамических и кинематических параметров анеморумбометра и создании алгоритма прецизионного определения вектора и модуля скорости набегающего потока с учетом его деформации от вращающейся лопасти. Такой подход является универсальным как в части процесса измерения текущих параметров анеморумбометра, так и в части системы обработки, что позволяет сформулировать четкие требования к алгоритму управления и минимизации значения рассогласования угла ориентации ротора горизонтально-осевой ветроэнергетической установки, с исключением в конечном итоге аэродинамических и кинематических особенностей флюгера анеморумбометра и лопасти. Таким образом, в результате создается уникальная и универсальная система дистанционного обновления программного обеспечения в части алгоритмов ориентации существующих ветроэнергоустановок. В ходе проекта для подтверждения теоретических исследований и наработок будут осуществлены экспериментальные проверки разработанных алгоритмов обработки на конкретных испытуемых анеморумбометрах действующих ветроэнергетических установок. Результатами проекта будут являться материалы теоретических и экспериментальных исследований, связанных с методами определения нестационарных аэродинамических характеристик компонентов анеморумбометра на закритических углах атаки, математической модели определения угла поворота флюгера анеморумбометра с учетом диссипативных слагаемых демпфирования колебаний методами обработки сигнала, поступающего с вала анеморумбометра. Коммерциализация проекта заключается в подготовке программного обеспечения для прошивки существующих систем управления ориентацией горизонтально-осевых ветроэнергетических установок средней и крупной мощности 100-10000 кВт новыми алгоритмами ориентации ротора, увеличивающие КПД установок минимум на 5-15%. Итогом проекта должны быть результаты успешной экспериментальной отработки разработанных алгоритмов управления на действующих ветроэнергетических установках, с возможностью последующего тиражирования разработанного программного обеспечения в мировом масштабе. Таким образом, проект является актуальным, исследования – фундаментальными, а их результаты имеют мировую теоретическую и практическую значимость. Данными исследованиями уже заинтересовалась компания LG Electronics, которая планирует внедрение новых алгоритмов управления в системы обработки и ориентации, и на данный момент рассматривается перспективным Индустриальным партнером и с которой уже подписан Договор о неразглашении информации по данной теме.