Optimizarea constructiv–funcțională a rotoarelor elicoidale cu ax vertical în vederea eficientizării conversiei energiei eoliene

Abstract

Scopul lucrării: Sporirea eficienței de conversie a rotoarelor elicoidale cu ax vertical prin optimizarea parametrilor geometrici. Obiectivele cercetării sânt: cercetarea profilurilor aerodinamice recomandate pentru palele turbinelor eoliene cu ax vertical; determinarea gradului de influență a unghiului elicoidal al palei asupra performanței aerodinamice a rotorului; cercetarea impactului palelor de tip J asupra eficienței de conversie a energiei eoliene; stabilirea raportului de aspect optim pentru rotorul eolian cu ax vertical; studiul CFD al efectelor aerodinamice dezvoltate la suprafața palelor; identificarea materialelor și soluțiilor de fabricație pentru palele rotorului eolian prin prisma principiilor economiei circulare; elaborarea algoritmului de proiectare a rotoarelor eoliene cu ax vertical. Rezultatul obținut care contribuie la soluționarea unei probleme științifice importante constă în fundamentarea științifică a parametrilor constructivi ai rotoarelor eoliene cu ax vertical, fapt ce a condus la elaborarea recomandărilor aplicative pentru practicienii din domeniul proiectării și fabricării turbinelor eoliene de putere mică în vederea asigurării eficienței de conversie sporite a energiei eoliene. Semnificația teoretică constă în elaborarea modelului CAD și analiza CAE a rotoarelor cu ax vertical; analiza CFD a profilurilor aerodinamice; elaborarea algoritmului de proiectare a rotoarelor eoliene cu ax vertical.

Цели диссертации: повышение эффективности конверсии винтовых ветровых роторов с вертикальной осью вращения за счет оптимизации геометрических параметров. Задачи исследования: исследование аэродинамических профилей, рекомендуемых для лопастей ветряных турбин с вертикальной осью вращения; определение степени влияния винтового угла лопасти на производительность ветряного ротора; исследование влияния лопастей типа J на эффективность конверсии ветровой энергии; определение оптимального соотношения высота/диаметр ротора с вертикальной осью; CFD-исследование аэродинамических эффектов, возникающих на поверхности лопастей; идентификация материалов и разработка способов производства лопастей ветряных турбин с учетом принципов экономики замкнутого цикла; разработка алгоритма проектирования ветряных турбин с вертикальной осью. Решение важной научной проблемы заключается в научном обосновании конструктивных параметров турбин с вертикальной осью, что привело к разработке прикладных рекомендаций, необходимых на этапе проектирования и изготовления ветротурбин малой мощности, для обеспечения более высокой эффективности преобразования энергии ветра. Теоретическая значимость: разработка компьютерной модели проектирования и компьютерного инженерного анализа ротора с вертикальной осью; CFD-анализ аэродинамических профилей; разработка алгоритма проектирования ветровых роторов.

Purpose of the paper: increasing the conversion efficiency of the helically bladed vertical axis wind turbines by optimizing the geometric parameters. Research objectives: research of the recommended airfoils for vertical axis wind turbines; determining the influence of the blade’s helical angle on the rotor’s conversion efficiency; determining the influence of the opened blades (J-type) on the rotor conversion efficiency; determining the optimum rotor aspect ratio; CFD analysis of the airfoils; identifying the materials and elaboration of manufacturing technology for wind rotor blades taking into account the circular economy principles; elaboration of a design algorithm for the vertical axis wind turbines. The obtained result that contributes to solving an important scientific problem consists in the scientific substantiation of the vertical axis wind rotor parameters, which led to the elaboration of recommendations necessary at the designing and fabrication stage, in order to ensure higher energy conversion efficiency. Theoretical implication: elaboration of the CAD model and CAE analysis of vertical axis rotors; CFD analysis of the airfoils; elaboration of an algorithm for vertical axis wind rotors design.