Принцип действия и классификация ВЭУ

 

 

В ветроэнергетических установках энергия ветра преобразуется в меха-ническую энергию их рабочих органов. Первичным и основным рабочим орга-ном ВЭУ, непосредственно принимающим на себя энергию ветра и, как прави-

 

ло, преобразующим ее в кинетическую энергию своего вращения, является ветроколесо.

Вращение ветроколеса под действием ветра обуславливается тем, что в принципе на любое тело, обтекаемое потоком газа со скоростью u 0, действует сила F, которую можно разложить на две составляющие: 1 - вдоль скорости набегающего потока, называемую силой лобового сопротивления F C, и 2 - в направлении, перпендикулярном скорости набегающего потока, называемую подъемной силой F П (рис. 1).

Величины этих сил зависят от формы тела, ориентации его в потоке газа и от скорости газа. Действием этих сил рабочий орган ветроустановки (ветро-колесо) приводится во вращение.

Ветроустановки классифицируются по двум основным признакам: - геометрии ветроколеса;

- его положению относительно направления ветра (рис. 1, 2).

 

 

u 0 Fn F

 

FC

 

Рис. 1. Силы, действующие на тело, обтекаемое потоком газа

 

 

Рис. 2. Принципиальная схема ветроустановки, использующей силу лобо-вого сопротивления и состоящей из укрепленных на перемещающемся ремне откидывающихся пластин.

Если ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку, то ус-тановка называется горизонтально-осевой, если перпендикулярна - вертикаль-но-осевой.

 

Ветроколеса с горизонтальной осью вращения, использующее подъемную силу (двух- или трехлопастное ветроколесо), показаны на рис. 3 (а, б, в, г). Эти установки (лифт-машины) имеют линейную скорость концов лопастей, сущест-венно большую скорости ветра.

54

 

uo

 

а). Репеллерное

 

 

б). Репеллерное с вихрепреобразователем

 

 

в). Многолопастное

 

 

г). Парусное

 

д). Цилиндры Магнуса

е). Ортогональное

 

 

 

 

ж). Савониус

 

 

з). Дарье

 

 

и). Мак-Гроув

 

к). Геликоидное

 

Рис. 3. Типы ветроколес

 

Ветроколеса, использующие силу лобового сопротивления (драг-машины), состоят из укрепленных вертикально, относительно оси вращения, лопастей различной конфигурации (рис.2 и 3 е, ж, з, и, к). Они, как правило, вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра.

 

На рис. 3д представлено ветроколесо, использующее эффект Магнуса (эффект возникновения подъемной силы, перпендикулярной направлению вет-ра, при вращении цилиндра или конуса).

 

 

Каждое ветроколесо характеризуется:

„ ометаемой площадью S, т.е. площадью, покрываемой его лопастями при вращении, и равной (для горизонтально-осевых ветроколес) S = ð D 2/4, где D - диаметр ветроколеса, либо площадью лобового сопротивления (для верти-кально-осевых ветроколес) S = h b, где h и b – соответственно высота ротора и его средний диаметр;

„ геометрическим заполнением, равным отношению площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к ометаемой площади (так, например, при одинаковых лопастях четырехлопастное колесо имеет вдвое большее геометрическое заполнение, чем двухлопастное);

„ коэффициентом мощности CP, характеризующим эффективность ис-пользования ветроколесом энергии ветрового потока и зависящим от конструк-ции ветроколеса;

„ коэффициентом быстроходности Z, представляющим собой отноше-ние скорости конца лопасти к скорости ветра.

 

При скорости ветра u о и плотности воздуха ветроколесо с ометаемой площадью S развивает мощность Р = Cр·S· ñ · u03/ 2.

 

Из этой формулы видно, что эта мощность пропорциональна кубу скоро-сти ветра.

По теории Н. Жуковского максимальное значение коэффициента мощно-сти 0,6-0,69. На практике лучшие быстроходные колеса имеют Cр ∼ 0,45-0,48; у тихоходных колес Cр ∼ 0,35-0,38.

ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабом ветре и максимум мощности достигается при небольших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением дости-гают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот режим. Поэтому первые используются, например, в водяных насосах и даже при слабом ветре сохраняют работоспособность, а вторые - в качестве электро-генераторов, где требуется высокая частота вращения.

 

 

Экспериментальная установка

 

 

Работа выполняется на аэродинамической трубе 1 (рис. 4). В трубе воз-душный поток создается осевым вентилятором (на рисунке не показан). Вели-чина скорости потока в трубе регулируется изменением тока питания вентиля-тора. Скорость воздушного потока в рабочей области трубы определяется с по-мощью трубки Пито-Прандтля 2 и микроманометра 3. В рабочую зону трубы 1 установлено ветроколесо 4 с электрическим генератором 5. К генератору под-

 

ключена нагрузка 6. В цепь нагрузки подключены также вольтметр 7 и ампер-метр 8.

 

1 4 1 u0 5

 

 

2

 

 

 

A 1 6

 

 

 

3 V

 

Рис. 4. Схема экспериментальной установки

 

Порядок выполнения работы

 

 

1. Ознакомиться с разными типами ветряных колес. 2. Устанавливается репеллерное ветроколесо.

3. Включается блок питания аэродинамической трубы и устанавливается необходимое значение скорости воздушного потока в рабочей зоне.

4. С помощью трубки Пито-Прандтля измеряется значение скорости воз-душного потока uо. по показаниям микроманометра l, значения которого зано-сятся в табл. 1.

5. Измеряется напряжение U, создаваемое электрическим генератором, и ток I в нагрузке 6.

6. Последовательно изменяя величины скорости воздушного потока в аэ-родинамической трубе, производим все вышеперечисленные измерения.

7. Заменяется репеллерное ветроколесо на ветроколесо савониус и вы-полняются все измерения, описанные в пп. 3-6.

Таблица 1

Тип ветро-колеса	№ опы-та	Показания микрома-нометра	uо, м/с	Параметры генератора ветроустановки	Cр
l - lo,м	U, В	I, А	Р, Вт
репеллер
савониус

57 Обработка экспериментальных данных

 

 

ñ

1. Скорость потока воздуха u o вычисляется по формуле uo = 2g ñ жК (l − lо),

в

где ñ ж - плотность спирта в микроманометре (ñ ж = 809,5 кг/м 3); ñ в - плотность воздуха (ñ в = 1,2 кг/м 3);

l - l o - разность показаний микроманометра, м;

К - синус угла наклона трубки микроманометра К = 0,2.

2. Определить ометаемую площадь для репеллерного ветроколеса по формуле S = ð· D 2/4, где D - диаметр ветроколеса (D = 0,17 м).

Площадь лобового сопротивления для вертикально-осевых ветроколес савониус равна S = h· b = 0,012 м2.

3. Вычислить электрическую мощность генератора P = U · I.

4. Определить коэффициент мощности ветроколеса. Cp= 2·P/(S· ñ ·uo3).

5. Сравнить коэффициенты мощности различных типов ветроколес при разных скоростях воздушного потока. Провести анализ полученных результатов и построить графики зависимости Ср от uo.

6. Исходные данные, необходимые для расчета коэффициента мощности различных типов ветроколес, приведены в табл. 2.

 

Рис. 5. График зависимости коэффициента мощности Ср от скорости воздушно-го потока uo.

 

Таблица 2 Исходные данные

Параметры	№ Ва-риан та	Тип ветроколеса
Репеллер	Савониус
Показания микроманометра l – lo, мм	I
II
III
IV		14,5					14,5
V
Параметры Генератора ветроколеса	U, В	I	4,1	9,5	12,2	19,5	3,4	7,1	8,1	10,8	12,8
II	4,2		12,6		3,6	7,6	8,5		13,1
III	4,5	9,8	12,9		3,8	7,1		11,5	13,4
IV	4,25		12,7	23,5	3,65	8,1	8,7	10,9	13,9
V	4,52				4,1	8,2	9,5	12,1	14,5
I, мА	I	9,5			41,5	7,5	15,5	17,5		27,5
II			27,5			16,5		22,7	28,5
III		20,5	30,5	47,5			19,5		29,5
IV			27,5		8,5			23,5	30,5
V			33,5	60,5	9,5		22,5	26,5