Городов Р.В., Губин В.Е., Матвеев А.С. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии

Подождите немного. Документ загружается.

111

ростью, меньшей скорости ветра, а установки, использующие подъем-

ную силу (лифт-машины), имеют линейную скорость концов лопастей,

существенно большую скорости ветра.

3. Для большинства установок геометрическое заполнение ветро-

колеса определяется числом лопастей. ВЭУ с большим геометрическим

заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при отно-

сительно слабом ветре, и максимум мощности достигается при

неболь-

ших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают макси-

мальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот

режим. Поэтому первые установки используются, например, в качестве

водяных насосов и даже при слабом ветре сохраняют работоспособ-

ность, вторые – в качестве электрогенераторов, где требуется высокая

частота вращения.

4. Установки для непосредственного

выполнения механической

работы часто называют ветряной мельницей или турбиной, установки

для производства электроэнергии, т. е. совокупность турбины и элек-

трогенератора, называют ветроэлектрогенераторами, аэрогенераторами,

а также установками с преобразованием энергии.

5. У аэрогенераторов, подключенных напрямую к мощной энерго-

системе, частота вращения постоянна вследствие эффекта ассинхрони-

зации, но такие установки менее эффективно используют

энергию вет-

ра, чем установки с переменной частотой вращения.

6. Ветроколесо может быть соединено с электрогенератором на-

прямую (жесткое сопряжение) или через промежуточный преобразова-

тель энергии, выполняющий роль буфера. Наличие буфера уменьшает

последствия флуктуации частоты вращения ветроколеса, позволяет бо-

лее эффективно использовать энергию ветра и мощность электрогенера-

тора. Кроме того, существуют

частично развязанные схемы соединения

колеса с генератором, называемые мягкосопряженными. Таким образом,

нежесткое соединение, наряду с инерцией ветроколеса, уменьшает

влияние флуктуаций скорости ветра на выходные параметры электроге-

нератора. Уменьшить это влияние позволяет также упругое соединение

лопастей с осью ветроколеса, например, с помощью подпружинных

шарниров.

Рассмотрим подробнее принцип действия ветроколес различных

типов.

Ветроколесо с горизонтальной осью.

Рассмотрим горизонталь-

но-осевые ветроколеса пропеллерного типа. Основной вращающей си-

лой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра

ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной

башней или за ней. При переднем расположении ветроколесо должно

112

иметь аэродинамический стабилизатор или какое-либо другое устройст-

во, удерживающее его в рабочем положении. При заднем расположении

башня частично затеняет ветроколесо и турбулизирует набегающий на

него поток. При работе колеса в таких условиях возникают циклические

нагрузки, повышенный шум и флуктуация выходных параметров ветро-

установки. Направление ветра может изменяться довольно быстро и

ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения. Поэтому в ВЭУ

мощностью более 50 кВт для этой цели используются электрические

серводвигатели.

В ветроэлектрогенераторах обычно используются двух- и трехло-

пастные ветроколеса, последние отличаются очень плавным ходом.

Электрогенератор и редуктор, соединяющий его с ветроколесом, распо-

ложены обычно на верху опорной башни в поворотной головке. В

принципе их удобнее размещать внизу, возникающие при этом сложно-

сти с передачей крутящего момента обесценивают преимущества такого

размещения. Многолопастные колеса, развивающие большой крутящий

момент при слабом ветре, используются для перекачки воды и других

целей, не требующих высокой частоты вращения ветрового колеса.

Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью

. Ветроэлекторо-

генераторы с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии

при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме

того, такая схема позволяет за счет только удлинения вала установить

редуктор с генераторами внизу башни.

Принципиальными недостатками таких установок являются: го-

раздо большая подверженность их усталостным разрушениям из-за бо-

лее часто

возникающих в них автоколебательных процессов и пульса-

ция крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям вы-

ходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство

ветроэлектрогенераторов выполнено по горизонтально-осевой схеме,

однако исследования различных типов вертикально-осевых установок

продолжаются.

Наиболее распространенные типы вертикально-осевых установок

следующие:

1. Чашечный ротор (анемометр).

Ветроколесо этого типа вра-

щается силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспечи-

вает практически линейную зависимость частоты вращения колеса от

скорости ветра.

2. Ротор Савониуса.

Это колесо также вращается силой сопро-

тивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямо-

угольной формы, т. е. отличаются простотой и дешевизной. Вращаю-

щий момент создается благодаря различному сопротивлению, оказы-

113

ваемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой относительно него

лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения это вет-

роколесо обладаем большим крутящим моментом и используется для

перекачки воды.

3. Ротор Дарье.

Вращающий момент создается подъемной силой,

возникающей на двух или на трех тонких изогнутых несущих поверхно-

стях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила макси-

мальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает

набегающий воздушный поток. Ротор Дарье используется в ветроэлек-

трогенераторах. Раскручиваться самостоятельно ротор, как правило, не

может, поэтому для

его запуска обычно используется генератор, рабо-

тающий в режиме двигателя.

4. Ротор Масгрува.

Лопасти этого ветроколеса в рабочем состоя-

нии расположены вертикально, но имеют возможность вращаться или

складываться вокруг горизонтальной оси при отключении. Существуют

различные варианты роторов Масгрува, но все они отключаются при

сильном ветре.

5. Ротор Эванса.

Лопасти этого ротора в аварийной ситуации и

при управлении поворачиваются вокруг вертикальной оси.

Концентраторы.

Мощность ветроэнергоустановки зависит от

эффективности использования энергии воздушного потока. Одним из

способов ее повышения является использование специальных концен-

траторов (усилителей) воздушного потока. Для горизонтально-осевых

ветроэлектрогенераторов разработаны различные варианты таких кон-

центраторов. Это могут быть диффузоры или конфузоры (дефлекторы),

направляющие на ветроколесо воздушный поток с площади, большей

ометаемой площади ротора,

и некоторые другие устройства. Широкого

распространения в промышленных установках концентраторы пока не

получили.

7.3. Основы теории расчета ветроэнергетических установок

7.3.1. Работа поверхности при действии на нее силы ветра

Скоростью ветра

называют расстояние в метрах, проходимое

массой воздуха в течение одной секунды. Скорость ветра постоянно ме-

няется по величине и направлению. Причиной этих изменений является

неравномерное нагревание земной поверхности и неровности рельефа

местности.

114

Скорость ветра является важнейшей характеристикой технических

свойств ветра. Поток ветра с поперечным сечением F обладает кинети-

ческой энергией, определяемой выражением:

⋅

(7.3.1)

Масса воздуха, протекающая через поперечное сечение F со ско-

ростью V, равна:

.mFV

=⋅⋅

(7.3.2)

Подставив (7.3.2) в выражение кинетической энергии (7.3.1), по-

лучим:

mV FV

⋅⋅⋅

(7.3.3)

Из 7.3.3. следует, что энергия ветра изменяется пропорционально

кубу его скорости.

Посмотрим, сколько процентов энергии ветра может превратить в

полезную работу поверхность, поставленная перпендикулярно к на-

правлению ветра и перемещающаяся в этом же направлении, что имеет

место, например, у ветродвигателей карусельного типа.

Мощность T определяется произведением силы P на скорость V:

.TPV

⋅ (7.3.4)

Одну и ту же работу можно получить либо за счёт большой силы,

при малой скорости перемещения рабочей поверхности, либо, наоборот,

за счёт малой силы, а следовательно, и малой поверхности, но при соот-

ветственно увеличенной скорости её перемещения.

Рис. 7.10. Действие силы ветра на поверхность

115

Допустим, мы имеем поверхность F, поставленную перпендику-

лярно к направлению ветра. Воздушный поток вследствие торможения

его поверхностью получит подпор и будет обтекать её и производить

давление силой P

. Вследствие действия этой силы поверхность будет

перемещаться в направлении потока с некоторой скоростью U

(рис. 7.10); работа при этом будет равна произведению силы на скорость

U, с которой перемещается поверхность F, то есть:

TPU

⋅

(7.3.5)

где P

– сила сопротивления, которая равна:

(),

PCF VU

=⋅⋅⋅−

(7.3.6)

где C

– аэродинамический коэффициент лобового сопротивления; F –

поверхность миделевого сечения тела, т. е. проекции площади тела на

плоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока.

В этом случае ветер набегает на поверхность с относительной ско-

ростью, равной:

.WVU

− (7.3.7)

Подставив значение P

из уравнения (7.3.6) в уравнение (7.3.5),

получим:

().

TCF VU U

=⋅⋅⋅− ⋅

(7.3.8)

Определим отношение работы, развиваемой движущейся поверх-

ностью и выраженной уравнением (7.3.8), к энергии ветрового потока,

имеющего поперечное сечение, равное этой поверхности, а именно:

()

().

CF VU U

CVU

⋅⋅⋅ − ⋅

==⋅−⋅

⋅

(7.3.9)

После преобразований получим:

⎛⎞

=⋅− ⋅

⎜⎟

⎝⎠

(7.3.10)

Величину

называют

коэффициентом использования энергии

ветра

Из уравнения (7.3.10) мы видим, что

зависит от скорости пере-

мещения поверхности в направлении ветра. При некотором значении

скорости U коэффициент

получает максимальное значение. В самом

деле, если скорость перемещения поверхности равна нулю U = 0, то ра-

бота ветра также равна нулю. Если U = V, т. е. поверхность перемеща-

116

ется со скоростью ветра, работа также будет равна нулю, так как нет си-

лы сопротивления, за счёт которой совершается работа. Отсюда следу-

ет, что значение скорости U заключено в пределах между U = 0 и U = V.

Установлено, чтобы получить максимальное

, поверхность

должна перемещаться со скоростью:

⋅

. (7.3.11)

Максимальный коэффициент использования энергии ветра при

работе поверхности силой сопротивления не может быть больше

0,192

7.3.2. Работа ветрового колеса крыльчатого ветродвигателя

Крыльчатые ветроколеса работают за счёт косого удара при дви-

жении лопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра в про-

тивоположность к прямому удару, рассмотренному в предыдущем слу-

чае. Устройство такого колеса показано на рис. 7.11.

На горизонтальном валу закреплены крылья, число которых у со-

временных ветродвигателей бывает от двух и больше. Крыло ветроко

леса состоит из маха а и лопасти б, закрепляемой на махе так, что она

образует с плоскостью вращения некоторый угол

. Этот угол называ-

ют

углом заклинения лопасти

(рис. 7.11).

При этом на её элементы набегает воздушный поток с относитель-

ной скоростью W под углом

, который называют

углом атаки

, и дей-

ствует с силой R. Углы

в значительной мере определяют эффек-

тивность крыльев.

Рис. 7.11. Конструктивная схема крыльчатого ветроколеса

117

Силу R раскладывают на силы P

и P

(рис. 7.12, а). Силы P

про-

изводят давление в направлении ветра, которое называется лобовым

давлением. Силы P

действуют в плоскости y – y вращения ветроколеса

и создают крутящий момент.

Рис. 7.12. а – схема действия сил воздушного потока на элемент лопасти;

б – графическое изображение относительного потока, набегающего

на элементы лопасти, расположенные на разных радиусах ветроколеса

Максимальные силы, приводящие колесо во вращение, получают-

ся при некотором значении угла атаки

, т. е. угла наклона относитель-

ного потока к поверхности лопасти. Ввиду того что окружная скорость

по длине крыла не одинакова, а возрастает по мере удаления его эле-

ментов от оси вращения ветроколеса, относительная скорость W набега-

ния потока на лопасть также возрастает. Вместе с этим убывает угол

атаки

, и при некоторой окружной скорости

⋅

, где

угловая ско-

рость, этот угол станет отрицательным (рис. 7.12, б). Следовательно, не

все элементы крыла будут иметь максимальную подъёмную силу.

Если мы будем уменьшать угол

каждого элемента лопасти по

мере удаления его от оси вращения так, чтобы наивыгоднейший угол

атаки

примерно сохранялся постоянным, то мы получим условие, при

котором приблизительно все элементы лопасти будут работать со своей

максимальной подъёмной силой. Лопасть с переменным углом заклине-

ния получает форму винтовой поверхности.

118

Правильные углы заклинения лопасти при хорошем аэродинами-

ческом качестве профиля, а также ширине, соответствующей заданной

быстроходности, обеспечивают высокий коэффициент использования

энергии ветра. У хорошо выполненных моделей он достигает 46 %.

7.4. Теория идеального ветряка

7.4.1. Понятие идеального ветряка

Идеальным ветряком

называют ветроколесо, у которого:

Ось вращения параллельна скорости ветра.

Бесконечно большое число лопастей очень малой ширины.

Профильное сопротивление крыльев равно нулю, и циркуляция

вдоль лопасти постоянна.

Потерянная скорость воздушного потока на ветроколесе постоянна

по всей сметаемой поверхности ветряка.

Угловая скорость стремится к бесконечности.

Теорию идеального ветряка впервые разработал в 1914 г.

В.П. Ветчинкин на основе теории идеального гребного винта. В этой

работе он установил понятие коэффициента использования энергии вет-

ра идеальным ветряком.

В 1920 г. проф. Н.Е. Жуковский изложил теорию «Ветряной мель-

ницы НЕЖ», где сделал вывод коэффициента использования

энергии

ветра идеальным ветряком.

Аналогичные теории были разработаны позднее также в нашей

стране проф. Г.X. Сабининым и акад. Г.Ф. Проскура.

Теория идеального ветряка проф. Н.Е. Жуковского носит название

классической теории; она устанавливает, что максимальный коэффици-

ент использования энергии ветра идеальным ветряком равен 0,593.

Наиболее полно, с точки зрения практического

применения, тео-

рия идеального ветряка изложена проф. Г.X. Сабининым, согласно ко-

торой коэффициент использования энергии ветра идеальным ветряком

равен 0,687. Отличие этой теории от прежних теорий заключается в том,

что при определении осевой силы давления потока на ветроколесо им-

пульс сил подсчитывается по вихревому соленоиду в том месте, где он

принял уже

установившуюся цилиндрическую форму, а не в момент его

образования, как принималось прежними теориями. Так как соленоид в

цилиндрической части имеет площадь сечения большую, чем площадь,

119

ометаемая ветроколесом, то осевая сила и коэффициент использования

энергии ветра, по теории Г.X. Сабинина, получаются несколько боль-

шими.

7.4.2. Классическая теория идеального ветряка

Представим равномерный поток ветра, набегающий на идеальное

ветроколесо со скоростью V в сечении

′

(рис. 7.13). В сечении

′

на

ветроколесе скорость будет

−

, а на некотором расстоянии поза-

ди ветряка в сечении

′

скорость будет

−

Рис. 7.13. Характеристика воздушного потока,

протекающего через ветроколесо

При этом вращающееся ветроколесо создаст подпор, вследствие

чего скорость потока, по мере приближения к ветряку и некоторое вре-

мя за ветряком, падает, как показано кривой I на рис. 7.13. Вместе с

этим давление воздуха P, по мере приближения к ветряку, повышается

(кривая II), и при прохождении через ометаемую поверхность оно резко

падает. За ветряком образуется некоторое разрежение P

– P

, которое,

по мере удаления от ветряка, ассимптотически приближается к нулю, т.

е. восстанавливается нормальное давление (кривая III). Потерю скоро-

сти за идеальным ветряком можно установить при помощи уравнения

Бернулли:

ρρ

⋅

+=+

(7.4.1)

120

Так как

, то

.VV>

Кинетическая энергия ветра перед ветряком равна

mV⋅

а за

ветряком –

()

⋅−

Разность этих энергий затрачена на ветроколесе и, в случае отсут-

ствия потерь, может быть получена как полезная работа:

()

mV m V

⋅⋅−

=−

(7.4.2)

Преобразовав правую часть уравнения (7.4.2), получим:

()

22 2

2222

() 2 .

22 2

VV V m V

νννν

⎛⎞

⎡⎤

⋅−− =⋅⋅⋅−=⋅⋅−

⎜⎟

⎣⎦

⎝⎠

(7.4.3)

Следовательно

Tm V

⎛⎞

=⋅⋅ −

⎜⎟

⎝⎠

(7.4.4)

Энергию T

, воспринятую ветроколесом, можно выразить как про-

изведение из силы давления ветра P на скорость в плоскости ветряка

−

, т. е.

(

)

.TPV

⋅−

(7.4.5)

Лобовое давление P равно приращению количества движения

струи, проходящей через ометаемую поверхность, т. е.

.Pm

⋅

(7.4.6)

Подставляя значение P в уравнение (7.4.5), получим

12 1

().Tm V

=⋅⋅ −

(7.4.7)

Сравнивая уравнения (7.4.5) и (7.4.7) находим, что:

()

221

mV mV

νν

⎛⎞

⋅⋅ − =⋅⋅ −

⎜⎟

⎝⎠

(7.4.8)

откуда

(7.4.9)

или

⋅

(7.4.10)

Равенство (7.4.10) показывает, что потеря скорости воздушного

потока происходит не только в сечении ветроколеса, но также и на не-