О влиянии стабилизатора тока на динамику малой гибридной ветроэнергетической установки

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.

1. 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. P. 939—954. DOI: 10.1016/j.energy.2018.07.049.

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. 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.

15. 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.

16. 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.

17. 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.

18. NSI50350AST3G Constant Current Regulator & LED Driver // http://www.onsemi.com/pub/Collateral/NSI50350AS-D.PDF

19. 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.

20. 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.