Разработка стратегии борьбы с обледенением для решения ветроэнергетических задач в Арктике

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 21-19-00205

НазваниеРазработка стратегии борьбы с обледенением для решения ветроэнергетических задач в Арктике

Руководитель Меледин Владимир Генриевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-402 - Гидроэнергетика, новые и возобновляемые источники энергии

Ключевые слова ветрогенератор, обледенение, лопасть, гидрофобные покрытия, поверхностные нано-структуры, атмосферный пограничный слой, климатическая аэродинамическая труба

Код ГРНТИ44.39.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение фундаментальной научной задачи по эффективному использованию огромного возобновляемого энергетического ресурса Арктики и восточного побережья РФ - кинетической энергии атмосферного пограничного слоя с помощью ветрогенераторов, которые сейчас являются одним из видов экологически чистой и ресурсосберегающей энергетики. Задача проекта связана с поиском оптимальных решений для борьбы с обледенением - одной из основных проблем, сдерживающих эффективное использование ветрогенераторов для автономного энергоснабжения отдаленных населённых пунктов крайнего севера. Сейчас эта тематика перспективна и очень актуальна для обеспечения динамического развития энергетики в Арктических и отдаленных регионах Сибири. Эффективное решение поставленных задач в области ветроэнергетики с учетом их обобщения для применения к другим объектам жизнедеятельности может стать прорывной темой при решении данной проблемы для других направлений развития Арктического региона, что подчёркивает принципиальную важность развития этих знаний в целом. Необходимость проведения данных исследований подтверждается повышенным интересом к освоению Арктического региона ведущими мировыми державами. Выработка стратегии борьбы с обледенением здесь играет значимую роль, что подтверждается созданием международного научного Консорциума по «Разработке совместной академической и исследовательской программы по изучению обледенения структур в холодных регионах». Авторы проекта являются участниками этого Консорциума, поэтому исчерпывающе владеют актуальной информацией об основных мировых научных конкурентах, современном состоянии исследований по данному направлению, тенденциях и проблемах в его развитии. Вращающиеся роторы ветрогенераторов являются наиболее сложными объектами для изучения воздействия обледенения. Здесь возникает комплекс проблем: ухудшаются аэродинамические характеристики лопастей, снижается производительность, увеличивается вес лопастей и происходит нарушение балансировки ротора. Данный комплекс проблем приводит к тому, что ветрогенераторы часто приходится останавливать во избежание их поломки или опасности отрыва кусков льда от лопастей. В рамках Проекта предполагается определить наиболее эффективную стратегию по борьбе с обледенением лопастей ветрогенераторов в климатических условиях, характерных для арктического побережья РФ, включая изучение эффективности новой технологии для ветрогенераторов по использованию иерархических супергидрофобных (ИСГ) покрытий, приближенных по форме к двух масштабным нано структурным покрытиям природных объектов. Использование ИСГ пленок в отличие от используемых других супергидрофобных покрытий для обеспечения эффективной работы ветрогенераторов в холодных климатических условиях является принципиально новым подходом, пока не имеющим аналогов в мире. Впервые в условиях сложных аэродинамических потоков будет исследована эффективность новых противообледенительных систем на базе защитных ИСГ плёнок с иерархическими размерами нано-структур от 50 нанометров до 100 мкм. Эти результаты могут существенно изменить представление о природе обледенения на ИСГ покрытиях и помогут выявить и установить новые закономерности явления обледенения на нано-структурных поверхностях и способов борьбы с ним. Для проверки эффективности противообледенительных систем и выявления наиболее эффективных методов защиты будет произведено экспериментальное сопоставление эффективности ИТС при раздельном и совместном применении с разными традиционными методами борьбы с обледенением путем использования тепловых нагревателей, ультразвуковых и вибрационных устройств и других супергидрофобных покрытий с целью выявления наиболее оптимального метода или их комбинации. Это комплексное использование всех предложенных методов и подходов, позволит успешно решить поставленную задачу по выработке общей стратегии борьбы с обледенением. Проект с высокой вероятностью будет выполнен успешно, результаты проекта, скорее всего, превзойдут запланированные в области комплексного использования ИТС совместно с традиционными методами борьбы с обледенением. Для выполнения аэродинамических экспериментальных исследований, будет использована климатическая аэродинамическая труба на базе существующего ветроэнергетического стенда, модифицированного холодильной установкой, имеющихся в наличии у коллектива. Это является основным экспериментальным ресурсом вполне достаточным для успешной реализации проекта, так что нет необходимости в приобретении нового дорогостоящего оборудования.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Окулов В., Кабардин И., Мухин Д., Степанов К., Окулова Н. Physical De-Icing Techniques for Wind Turbine Blades Energies, 14. - 6750. (год публикации - 2021)
10.3390/en14206750

2. Кабардин И., Двойнишников С., Гордиенко М., Какаулин С., Ледовский В., Гусев Г., Зуев В., Окулов В. Optical Methods for Measuring Icing of Wind Turbine Blades Energies, 14.- 6485. (год публикации - 2021)
10.3390/en14206485

3. Окулов В.Л. Моделирование торможения осевого потока вихревыми следами на лопасти НЕЖ ДОКЛАДЫ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК. ФИЗИКА, том 501, с. 84–88 (год публикации - 2021)
10.31857/S2686740021060122

4. Соренсен Е.Н. , Окулов В.Л., Рамос-Гарсия Н. Analytical and numerical solutions to classical rotor designs Progress in Aerospace Sciences, №1, Vol.130, 100793, https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ (год публикации - 2022)
10.1016/j.paerosci.2021.100793

5. Зуев В.О. , Двойнишников С.В., Рахманов В.В., Садбаков О.Ю. Измерение геометрических параметров наледи методом фазовой триангуляции в ограниченном объеме с преломлением оптических сигналов Теплофизика и аэромеханика, Vol. 30 , P.121–126 (год публикации - 2023)
10.1134/S0869864323010134

6. Кабардин И.К., Меледин В.Г., Двойнишников С.В., Степанов К.И., Мухин Д.Г., Зуев В.О., Гордиенко М.Р., Какаулин С.В., Зезюлин И.В., Ледовский В.Е., Зубанов К.С. Особенности применения пластиковых полимерных наноструктурированных покрытий для защиты от обледенения промышленных конструкций Journal of Engineering Thermophysics, Vol. 32, No. 1. – P. 54–61. (год публикации - 2023)
10.1134/S1810232823010058

7. Меледин В.Г., Двойнишников С.В., Степанов К.И., Мухин Д.Г., Гордиенко М.Р., Какаулин С.В., Ледовский В.Е., Зубанов К.С., Зуев В.О., Яворский Н.И., Бакакин Г.В., Кабардин И.К. Reducing ice adhesion by using nanostructured plastic polymer coatings for de-icing of wind turbine blades Journal of Engineering Thermophysics, – Vol. 32, No. 3. – P. 591–595. (год публикации - 2023)
10.1134/S181023282303013X

8. Меледин В.Г., Кабардин И.К., Двойнишников С.В., Степанов К.И., Мухин Д.Г., Гордиенко М.Р., Какаулин С.В., Ледовский В.Е., Зубанов К.С., Зуев В.О., Яворский Н.И., Бакакин Г.В. Экспериментальные исследования влияния обледенения на кинематику потоков и силовые параметры лопастей ветрогенераторов методами лазерной доплеровской анемометрии Теплофизика и Аэромеханика (год публикации - 2024)

9. В. Л. Окулов, Б. Р. Шарифуллин, Н. Окулова, Ю. Кафка, Р. Таборский, Е. Н. Серенсен, И. В. Наумов Influence of nano- and micro-roughness on vortex generations of mixing flows in a cavity Physics of Fluids, Vol. 34, 032005 (год публикации - 2022)
10.1063/5.0083503

10. Кабардин И.К., Двойнишников С.В., Гордиенко М.Р., Какаулин С.В., Ледовский В.Е., Зуев В.О. Development of multivariable triangulation method for diagnostics of icing of wind turbine blades Journal of Engineering Thermophysics, Vol. 31, No. 4, pp. 1–6. (год публикации - 2022)
10.1134/S1810232822040014

11. Меледин В.Г., Кабардин И.К., Двойнишников С.В., Зуев В.О., Мухин Д.Г., Какаулин С.В., Гордиенко М.Р., Зубанов К.С., Степанов К.И., Гольцев Н.С., Толстопятов Е.М., Гракович П.Н., Иванов И.Ф. Экспериментальные исследования комбинационных противообледенительных методов для борьбы с обледенением лопастей ветрогенераторов Journal of Engineering Thermophysics (год публикации - 2024)

Публикации