Работа поверхности при действии на нее силы ветра

Скорость ветра является важнейшей характеристикой технических свойств ветра. Поток ветра с поперечным сечением F обладает кинетиче­ской энергией, определяемой выражением:

.

(1)

Масса воздуха, протекающая через поперечное сечение F со скоро­стью V, равна:

.

(2)

Подставив (2) в выражение кинетической энергии получим:

,

(3)

откуда следует, что энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости.

Мощность Т определяется произведением силы Р на скорость V:

,

(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 соответственно увеличенной скорости её перемещения.

Допустим, мы имеем поверхность F, поставленную перпендикулярно к направлению ветра. Воздушный поток вследствие торможения его поверхностью получит подпор, и будет обтекать ее и производить давление силой Рх. Вследствие действия этой силы поверхность будет перемещаться в направ­лении потока с некоторой скоростью U ; работа при этом будет равна произведению силы на скорость U, с которой перемещается поверх­ность F, т. е.:

,

(5)

         где Рх - сила сопротивления, которая равна :

,

(6)

         где Сх - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления;

F - поверхность миделевого сечения теля, т.е. проекции площади тела на плоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока.

В этом случае ветер набегает на поверхность с относительной скоро­стью, равной :

.

(7)

Подставив значение Рх из уравнения (6) в уравнение (5), полу­чим:

.	(8)

Рисунок 2, – Действие силы ветра на поверхность

Определим отношение работы, развиваемой движущейся поверхно­стью и выраженной уравнением (8), к энергии ветрового потока, имею­щего поперечное сечение, равное этой поверхности, а именно:

.

(9)

После преобразований получим:

.

(10)

Величину ξ называют коэффициентом использования энергии ветра.

Из уравнения (10) мы видим, что ξ зависит от скорости перемеще­ния 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 работа ветра также равна нулю. Если U = V, т.е. поверхность перемещается со скоростью ветра, работа также будет равна нулю, так как нет силы сопротивления, за счёт ко­торой совершается работа. Отсюда следует, что значение скорости U заклю­чено в пределах между U = 0 и U = V.

Установлено, чтобы получить максимальное ξ, поверхность должна перемещаться со скоростью:

.

(11)

Максимальный коэффициент использования энергии ветра при работе поверхности силой сопротивления не может быть больше ξ =  0,192.

Наибольший коэффициент использования энергии ветра у роторных ветродвигателей системы Савониуса - 18%.

РАБОТА ВЕТРОВОГО КОЛЕСА КРЫЛЬЧАТОГО ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ

Ветровые колёса крыльчатых ветродвигателей вращаются поперёк направления ветра, а поэтому скорость движения концевых частей у их крыльев достигает больших величин.

Она может быть в несколько раз больше скорости воздушного потока. Чем меньше лопастей и лучше их профиль, тем меньшее сопротивление испытывает ветровое колесо. Значит, тем быстрее оно вращается.

Лучшие образцы современных крыльчатых ветродвигателей имеют нормальную быстроходность, достигающую девяти единиц. Большинство ветродвигателей заводского производства имеет быстроходность, равную 5-7 единицам.

Для сравнения отметим, что даже лучшие крестьянские мельницы имели быстроходность, равную всего 2-3 единицам (и в этом смысле они являются более совершенными, чем карусельные, роторные и барабанные ветродвигатели).

С ростом числа лопастей у ветрового колеса увеличивается его способность трогаться с места при небольших скоростях ветра. Поэтому многолопастные крыльчатые ветродвигатели, у которых суммарная площадь лопастей составляет 60-70 процентов отометаемой поверхности ветрового колеса, вступают в работу при скоростях ветра 3-3,5 метра в секунду.

Быстроходные же ветродвигатели с малым числом лопастей трогаются с места при скоростях ветра от 4,5 до 6 метров в секунду.

Поэтому их приходится пускать в работу или без нагрузки или при помощи специальных устройств.

Крыльчатые ветроколеса работают за счет косого удара при движении лопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра в противоположность к прямому удару, рассмотренному в предыдущем случае. Устройство такого колеса показано на рис. 3.

На горизонтальном валу закреплены крылья, число которых у современных ветродвигателей бывает от 2 и больше. Крыло ветроколеса состоит из маха а и лопасти б, закрепляемой на махе так, что она образует с плоско­стью вращения некоторый угол φ. Этот угол называют углом заклинения ло­пасти .При этом на ее элементы набегает воздушный поток с от­носительной скоростью W под углом ά, который называютуглом атаки, и действует с силой R. Углы φ и ά в значительной мере определяют эффективность крыльев. Силу R раскладывают на силы Рх и Ру (рис. 4,а). Силы Рх производят давление в направлении ветра, которое называется лобо­вым давлением. Силы Ру действуют в плоскости у-у вращения ветроколеса и создают крутящий момент.

Максимальные силы, приводящие колесо во вращение, получаются при некотором значении угла атаки ά, т.е. угла наклона относительного потока к поверхности лопасти. Ввиду того что окружная скоростью длине крыла неодинакова, а возрастает по мере удаления его элементов от оси вращения ветроколеса, относительная скорость W набегания потока на лопасть также возрастает.

Рисунок 3 – Конструктивная схема крыльчатого ветроколеса

Рисунок 4 - Схема действия сил воздушного потока на элемент лопасти (а) и графическое изображение относительного потока, набегающего на элементы лопасти, расположенные на разных радиусах ветроколеса (б)

Вместе с этим убывает угол атаки ά, и при некоторой окружной скорости wR, где w угловая скорость, этот угол станет отрицательным (рис. 4, б). Следовательно, не все элементы крыла будут иметь максимальную подъемную силу.

Если мы будем уменьшать угол φ каждого элемента лопасти по мере удаления его от оси вращения так, чтобы наивыгоднейший угол атаки ά примерно сохранялся постоянным, то мы получим условие, при котором приблизительно все элементы лопасти будут работать со своей максималь­ной подъемной силой. Лопасть с переменным углом заклинения со получает форму винтовой поверхности.

Правильные углы заклинения лопасти при хорошем аэродинамическом качестве профиля, а также ширине, соответствующей заданной быстроходности, обеспечивают высокий коэффициент использования энергии ветра. У хорошо выполненных моделей он достигает 46%.

В большинстве современных ветровых турбин с помощью специальных устройств (центробеж­ных, гидравлических и других) обеспечивается возможность поворота всей лопасти или отдельной ее части, изменения за счет этого угла атаки и регу­лирования мощности на валу по заданному закону. При скорости ветра меньше номинальной лопасть разворачивается таким образом, чтобы угол атаки был оптимальным и коэффициент использования ветра максимальным. При скорости ветра больше номинальной разворотом лопасти добиваются уменьшения коэффициента использования энергии ветра до значения, при котором мощность на валу соответствует номинальной. На рис. 5 на приме­ре ветровой турбины номинальной мощностью 2 МВт показана зависимость мощности и коэффи­циента мощности (коэффициента использования энергии ветра) от скорости ветра.

Угол атаки g, определяющий коэффициент  мощности zp  зависит от скорости ветра W и частoты вращения ротора w. В силу этого, коэффициент мощности удобно выражать с помощью параметра, учитывающего  W и  w. Таким параметром являет­ся коэффициент быстроходности

     Ветровые турбины различных типов имеют су­щественно отличающиеся зависимости коэффици­ента использования энергии ветра от коэффициента быстроходности (рис.5).

      1 — идеальный ротор пропеллерного типа; 2 — двух­лопастный скоростной ротор; 3 — ротор Дарье; 4 — ротор Савониуса; 5 — многолопастный ротор

Рисунок 5 - Кривые зависимости коэффициента использования энергии ветра от коэффициента быстроходности

1 - лопасть; 2 - система разворота лопасти; 3- втулка; 4- дисковый тормоз; 5- мультипликатор; 6- гидромуфта; 7 - генератор; 8 - механизм системы поворота; 9 - тормоз системы поворота; 10- датчик системы поворота

            Рисунок 6   -  Основные узлы ветроэнергетической

                   установки с горизонтальной осью вращения.

          Недостатками ВЭУ являются непостоянство вырабатываемой электроэнергии, что создает опре­деленные проблемы при их работе на сеть и необ­ходимость использования аккумуляторов при работе в автономном режиме, а также более высока», чем на традиционных электростанциях, стоимость 1 кВт установленной удельной мощности и мень­шее число часов ее использования.

Однако эти не­достатки перекрываются такими качествами ВЭУ как отсутствие топливной составляющей, неисчер­паемость первичного источника энергии, низка» стоимость вырабатываемой электроэнергии, возможность полной автоматизации, исклю­чающей необходимость в обслуживающем персо­нале, возможность энергообеспечения автономных объектов, удаленных от электросетей, модульное исполнение, позволяющее наращивать установлен­ную мощность по мере необходимости.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Ветродвигатели роторного типа в настоящее время используются лишь в виде небольших кустарных установок мощностью до 0,5 лошадиной силы. Например, они находят применение для привода в движение различных вентиляционных устройств в помещениях для скота, кузницах и других производственных помещениях в сельском хозяйстве.

Мы знаем, что энергия воздушного потока непостоянна, поэтому любой ветряной двигатель имеет переменную мощность. Мощность любого ветродвигателя зависит от скорости ветра. Установлено, что при увеличении скорости ветра в два раза мощность на крыльях ветродвигателя увеличивается в 8 раз, а при росте скорости воздушного потока в 3 раза мощность ветродвигателя увеличивается в 27 раз.

Однако любое ветровое колесо или ротор превращает в полезную механическую работу лишь часть энергии воздушного потока, проходящего через ометаемую лопастями поверхность. Эта часть энергии определяется коэффициентом использования энергии ветра. Величина коэффициента использования энергии ветра всегда меньше единицы. У лучших современных быстроходных ветродвигателей этот коэффициент достигает 0,42. У серийных заводских быстроходных и тихоходных ветродвигателей коэффициент использования энергии ветра обычно равен 0,30-0,35; это значит, что примерно лишь одна треть энергии воздушного потока, проходящего через ветровые колеса ветродвигателей, превращается в полезную работу. Остальные две трети энергии остаются не использованными.

Советский ученый Г. X. Сабинин на основании расчетов установил, что даже у идеального ветряка коэффициент использования энергии ветра равен только 0,687.

Объясняется это тем, что часть энергии ветра затрачивается на образование вихрей у лопастей и скорость ветра за ветроколесом падает.

Таким образом, фактическая величина мощности ветродвигателя зависит от коэффициента использования энергии ветра. Мощность ветродвигателя пропорциональна его значению. Это значит, что с увеличением коэффициента использования энергии ветра увеличивается мощность ветродвигателя, и наоборот.

Из сказанного о мощности ветродвигателя следует, что при данном ветре тот ветродвигатель будет иметь более высокую мощность, у которого через поверхность, ометаемую крыльями, протекает наибольшее количество воздушного потока, а лопасти ветроколеса имеют хорошо обтекаемый профиль.