novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.25.603-611novtexmech-1650Research ArticleРОБОТЫ, МЕХАТРОНИКА И РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫROBOT, MECHATRONICS AND ROBOTIC SYSTEMSО влиянии стабилизатора тока на динамику малой гибридной ветроэнергетической установкиOn the Effect of Current Stabilizer on Dynamics of a Small Hybrid Wind Power GeneratorБудановВ. М.BudanovV. M.

канд. физ.-мат. наук, зав. лаб.

г. Москва

Moscow, 119192

vlbudanov@gmail.comГолубА. П.HolubA. P.

канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотр.

г. Москва

Moscow, 119192

holub.imech@gmail.comДосаевМ. З.DosaevM. Z.

канд. физ.-мат. наук, зам. дир.

г. Москва

Moscow, 119192

dosayev@imec.msu.ruСелюцкийЮ. Д.SelyutskiyY. D.

канд. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр.

г. Москва

Selyutskiy Yury D., Leading Researcher

Moscow, 119192

seliutski@imec.msu.ruНИИ механики МГУРоссияInstitute of Mechanics of Lomonosov Moscow State UniversityRussian Federation2024091120242511603611Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20242024Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1650

Применение малых ветроэнергетических установок остается достаточно актуальным. В частности, они могут оказаться эффективными для зарядки аккумуляторов в удаленных локациях, в которых отсутствует централизованное электроснабжение (в том числе, в Арктике, на Дальнем Востоке и т. д.). Они могут также использоваться и в рамках миссий на планеты, обладающие атмосферой.Одним из перспективных конструктивных решений для малой ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения является гибридная установка. Она состоит из двух ветротурбин, имеющих общую ось вращения: внешней (ветротурбина Дарье) и внутренней (ротор Савониуса). Такая схема представляет собой компромисс между достаточно высокими мощностными характеристиками турбины Дарье и хорошими стартовыми способностями ротора Савониуса.Известно, что один из типичных режимов зарядки аккумулятора — зарядка постоянным током. В данной работе рассматривается гибридная установка, к генератору которой подключен стабилизатор тока. Нагрузка имитируется с помощью активного сопротивления. Предполагается, что генератор представляет собой генератор постоянного тока.Построена замкнутая математическая модель изучаемой системы. Аэродинамическое воздействие моделируется с помощью квазистатического подхода. Предполагается, что характерное время протекания электрических процессов много меньше характерного времени протекания механических процессов. Исследуется влияние нагрузочного сопротивления на поведение системы. Показано, что при определенных условиях в системе существуют несколько стационарных режимов (до пяти). В этом случае не менее двух из них являются притягивающими. Соответственно, при изменении нагрузочного сопротивления возможен гистерезис угловой скорости стационарного режима.Отмечено, что в ряде ситуаций неустойчивый стационарный режим (который соответствует меньшей угловой скорости турбины, чем устойчивый), может оказаться предпочтительным (например, для снижения нагрузки на подшипники). В связи с этим предложена стратегия управления сопротивлением, обеспечивающая стабилизацию неустойчивого стационарного режима.

The use of small wind power generators remains quite relevant. In particular, they can be efficient for charging batteries in remote locations where there is no centralized power supply (including in the Arctic, Far East, etc.). They can also be used as part of missions to planets with atmospheres. One of the promising design solutions for a small wind power generator with a vertical axis of rotation is a hybrid device. It consists of two wind turbines that have a common axis of rotation: external (Darrieus wind turbine) and internal (Savonius rotor). This scheme represents a compromise between the relatively high power coefficient of the Darrieus turbine and the good startup characteristics the Savonius rotor. It is known that one of the typical battery charging modes is constant current charging. Here we consider a hybrid installation, the generator of which is connected to a current stabilizer. The load is simulated with an active resistance. It is assumed that the generator is a DC generator. A closed mathematical model of the studied system is constructed. The aerodynamic load is described using the quasi-steady approach. It is assumed that the characteristic time of electrical processes is much smaller than the characteristic time of mechanical processes. The influence of load resistance on the behavior of the system is investigated. It is shown that, under certain conditions, several steady modes (up to five) exist in the system. In this case, at least two of them are attracting. Therefore, the hysteresis of the angular speed of the steady mode is possible when the load resistance changes. It should be noted that in a number of situations, an unstable steady mode (which corresponds to a lower angular speed of the turbine than a stable one) may be preferable (for example, to reduce the load on bearings). In this regard, a resistance control strategy has been proposed to ensure stabilization of the unstable stationary regime.

стационарное решениеветроэнергетическая установкаустойчивостьуправлениестабилизацияsteady motionwind power generatorstabilitycontrolstabilizationИсследование выполнено при поддержке НОШ МГУ "Фундаментальные и прикладные исследования космоса" (проект № 23-Ш01-11).ReferencesLi Z., Wu Y., Hong J., Zhang Z., Chen W. The study on performance and aerodynamics of micro counter-rotating HAWT // Energy. 2018. Vol. 161. P. 939—954. DOI: 10.1016/j.energy.2018.07.049.Li Z., Wu Y., Hong J., Zhang Z., Chen W. The study on performance and aerodynamics of micro counter-rotating HAWT, Energy, 2018, vol. 161, pp. 939—954, doi: 10.1016/j.energy.2018.07.049.Klimina L., Shalimova E., Dosaev M., Garziera R. Closed dynamical model of a double propeller HAWT // Procedia Engineering. 2017. Vol. 199. P. 577—582. DOI: 10.1016/j. proeng.2017.09.179.Klimina L., Shalimova E., Dosaev M., Garziera R. Closed dynamical model of a double propeller HAWT, Procedia Engineering, 2017, vol. 199, pp. 577—582, doi: 10.1016/j.proeng.2017.09.179.Akwa J. V., Alves da Silva Júnior G., Petry A. P. Discussion on the Verification of the Overlap Ratio Influence on Performance Coefficients of a Savonius Wind Rotor Using Computational Fluid Dynamics // Renewable Energy. 2012. Vol. 38, N. 1. P. 141—149. DOI: 10.1016/j.renene.2011.07.013.Akwa J. V., Alves da Silva Júnior G., Petry A. P. Discussion on the Verification of the Overlap Ratio Influence on Performance Coefficients of a Savonius Wind Rotor Using Computational Fluid Dynamics, Renewable Energy, 2012, vol. 38, no. 1, pp. 141—149, doi: 10.1016/j.renene.2011.07.013.Rizk M., Nasr K. Computational Fluid Dynamics Investigations Over Conventional and Modified Savonius Wind Turbines // Heliyon. 2023. Vol. 9, N. 6. P. e16876. DOI: 10.1016/j. heliyon.2023.e16876.Rizk M., Nasr K. Computational Fluid Dynamics Investigations Over Conventional and Modified Savonius Wind Turbines, Heliyon, 2023, vol. 9, no. 6, pp. e16876, doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e16876.Eltayesh A., Castellani F., Natili F., Burlando M., Khedr A. Aerodynamic upgrades of a Darrieus vertical axis small wind turbine // Energy for Sustainable Development. 2023. Vol. 73. P. 126—143. DOI: 10.1016/j.esd.2023.01.018.Eltayesh A., Castellani F., Natili F., Burlando M., Khedr A. Aerodynamic upgrades of a Darrieus vertical axis small wind turbine, Energy for Sustainable Development, 2023, vol. 73, pp. 126—143, doi: 10.1016/j.esd.2023.01.018.Kirke B., Abdolahifar A. Flexible blades to improve Darrieus turbine performance and reduce cost // Energy for Sustainable Development. 2023. Vol. 73. P. 54—65. DOI: 10.1016/j. esd.2023.01.010.Kirke B., Abdolahifar A. Flexible blades to improve Darrieus turbine performance and reduce cost, Energy for Sustainable Development, 2023, vol. 73, pp. 54—65, doi: 10.1016/j.esd.2023.01.010.Bhuyan S., Biswas A. Investigations on Self-Starting and Performance Characteristics of Simple H and Hybrid H-Savonius Vertical Axis Wind Rotors // Energy Conversion and Management. 2014. Vol. 87. P. 859—867. DOI: 10.1016/j.enconman.2014.07.056.Bhuyan S., Biswas A. Investigations on Self-Starting and Performance Characteristics of Simple H and Hybrid H-Savonius Vertical Axis Wind Rotors, Energy Conversion and Management, 2014, vol. 87, pp. 859—867, doi: 10.1016/j.enconman.2014.07.056.Puspitasari D., Sahim K. Effect of Savonius Blade Height on the Performance of a Hybrid Darrieus-Savonius Wind Turbine // Journal of Mechanical Engineering & Sciences. 2019. Vol. 13, N. 4. P. 5832—5847.Puspitasari D., Sahim K. Effect of Savonius Blade Height on the Performance of a Hybrid Darrieus-Savonius Wind Turbine, Journal of Mechanical Engineering & Sciences, 2019, vol. 13, no. 4, pp. 5832—5847.Hosseini A., Goudarzi N. Design and CFD Study of a Hybrid Vertical-Axis Wind Turbine by Employing a Combined Bach-Type and H-Darrieus Rotor Systems // Energy Conversion and Management. 2019. Vol. 189. P. 49—59. DOI: 10.1016/j.enconman.2019.03.068.Hosseini A., Goudarzi N. Design and CFD Study of a Hybrid Vertical-Axis Wind Turbine by Employing a Combined Bach-Type and H-Darrieus Rotor Systems, Energy Conversion and Management, 2019, vol. 189, pp. 49—59, doi: 10.1016/j.enconman.2019.03.068.Asadi M., Hassanzadeh D. Effects of Internal Rotor Parameters on the Performance of a Two Bladed Darrieus-Two Bladed Savonius Hybrid Wind Turbine // Energy Conversion and Management. 2021. Vol. 238. P. 114109. DOI: 10.1016/j.enconman.2021.114109.Asadi M., Hassanzadeh D. Effects of Internal Rotor Parameters on the Performance of a Two Bladed Darrieus-Two Bladed Savonius Hybrid Wind Turbine, Energy Conversion and Management, 2021, vol. 238, pp. 114109, doi: 10.1016/j.enconman.2021.114109.Asadi M., Hassanzadeh R. On the Application of Semicircular and Bach-Type Blades in the Internal Savonius Rotor of a Hybrid Wind Turbine System // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2022. Vol. 221. P. 104903. DOI: 10.1016/j.jweia.2022.104903.Asadi M., Hassanzadeh R. On the Application of Semicircular and Bach-Type Blades in the Internal Savonius Rotor of a Hybrid Wind Turbine System, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2022, vol. 221, pp. 104903, doi: 10.1016/j.jweia.2022.104903.Pallotta A., Pietrogiacomi D., Romano G. P. HYBRI — A Combined Savonius-Darrieus Wind Turbine: Performances and Flow Fields // Energy. 2020. Vol. 191. P. 116433. DOI: 10.1016/j.energy.2019.116433.Pallotta A., Pietrogiacomi D., Romano G. P. HYBRI — A Combined Savonius-Darrieus Wind Turbine: Performances and Flow Fields, Energy, 2020, vol. 191, pp. 116433, doi: 10.1016/j.energy.2019.116433.Chegini S., Asadbeigi M., Ghafoorian F., Mehrpooya M. An Investigation Into the Self-Starting of Darrieus-Savonius Hybrid Wind Turbine and Performance Enhancement Through Innovative Deflectors: A CFD Approach // Ocean Engineering. 2023. Vol. 287, Part 2. P. 115910. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2023.115910.Chegini S., Asadbeigi M., Ghafoorian F., Mehrpooya M. An Investigation Into the Self-Starting of Darrieus-Savonius Hybrid Wind Turbine and Performance Enhancement Through Innovative Deflectors: A CFD Approach, Ocean Engineering, 2023, vol. 287, Part 2, pp. 115910, doi: 10.1016/j.oceaneng.2023.115910.Ahmad M., Shahzad A., Akram F., Ahmad F., Shah S. I. A. Design Optimization of Double-Darrieus Hybrid Vertical Axis Wind Turbine // Ocean Engineering. 2022. Vol. 254. P. 111171. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2022.111171.Ahmad M., Shahzad A., Akram F., Ahmad F., Shah S. I. A. Design Optimization of Double-Darrieus Hybrid Vertical Axis Wind Turbine, Ocean Engineering, 2022, vol. 254, pp. 111171, doi: 10.1016/j.oceaneng.2022.111171.Lap-Arparat P., Leephakpreeda T. Real-time maximized power generation of vertical axis wind turbines based on characteristic curves of power coefficients via fuzzy pulse width modulation load regulation // Energy. 2019. Vol. 182. P. 975—987. DOI: 10.1016/j.energy.2019.06.098.Lap-Arparat P., Leephakpreeda T. Real-time maximized power generation of vertical axis wind turbines based on characteristic curves of power coefficients via fuzzy pulse width modulation load regulation, Energy, 2019, vol. 182, pp. 975—987, doi: 10.1016/j.energy.2019.06.098.Kamoji M. A., Kedare S. B., Prabhu S. V. Experimental Investigations on Single Stage, Two Stage and Three Stage Conventional Savonius Rotor // International Journal of Energy Research. 2008. Vol. 32. P. 877—895. DOI: 10.1002/er.1399.Kamoji M. A., Kedare S. B., Prabhu S. V. Experimental Investigations on Single Stage, Two Stage and Three Stage Conventional Savonius Rotor, International Journal of Energy Research, 2008, vol. 32, pp. 877—895, doi: 10.1002/er.1399.Dosaev M. Z., Lin C. H., Lu W. L., Samsonov V. A., Selyutskii Yu. D. A Qualitative Analysis of the Steady Modes of Operation of Small Wind Power Generators // Journal of Applied Mathematics and Mechanics. 2009. Vol. 73, N. 3. P. 259—263. DOI: 10.1016/j.jappmathmech.2009.07.015.Dosaev M. Z., Lin C. H., Lu W. L., Samsonov V. A., Selyutskii Yu. D. A Qualitative Analysis of the Steady Modes of Operation of Small Wind Power Generators, Journal of Applied Mathematics and Mechanics, 2009, vol. 73, no. 3, pp. 259—263, doi: 10.1016/j.jappmathmech.2009.07.015.NSI50350AST3G Constant Current Regulator & LED Driver // http://www.onsemi.com/pub/Collateral/NSI50350AS-D.PDFNSI50350AST3G Constant Current Regulator & LED Driver, available at: http://www.onsemi.com/pub/Collateral/NSI50350AS-D.PDF.Aleksandrov A. Y., Tikhonov A. A. Attitude stabilization of a rigid body under disturbances with zero mean values // Acta Mechanica. 2022. Vol. 233. P. 1231—1242. DOI: 10.1007/s00707-022-03163-0.Aleksandrov A. Y., Tikhonov A. A. Attitude stabilization of a rigid body under disturbances with zero mean values, Acta Mechanica, 2022, vol. 233, pp. 1231—1242, doi: 10.1007/s00707-022-03163-0.Ravasco F., Melicio R., Batista N., Valério D. A wind turbine and its robust control using the CRONE method // Renewable Energy. 2020. Vol. 160. P. 483—497. DOI: 10.1016/j.renene.2020.05.180.Ravasco F., Melicio R., Batista N., Valério D. A wind turbine and its robust control using the CRONE method, Renewable Energy, 2020, vol. 160, pp. 483—497, doi: 10.1016/j.renene.2020.05.180.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.