2.3. Основні характеристики вітроколес

Кінематична енергія вітру перетворюється вітродвигуном в механічну енергію і далі за допомогою генераторів ця енергія перетворюється в електричну.

В механічну енергію Е_мех вітродвигун може перетворити тільки частину повної енергії повітряного потоку Е_пов, який проходить через перетин вітроколеса. Ця частина визначається типом двигуна, режимом його роботи і оцінюється коефіцієнтом С_р використання енергії вітру [1].

Рис. 2.3.1 Визначення коефіцієнта С_р використання енергії вітру у ВЕУ

На рис. 2.3.1 показаний потік повітря, який умовно обмежений перетинами: S₁ – перед вітроколесом; S – в зоні вітроколеса; S₂ – за вітроколесом. Відповідні позначення швидкості вітру: V₁, V, V₂ причому V₂ < V < V₁. Втрати кінетичної енергії E_s1 потоку на вітроколесі в секунду складають [1]:

, (2.3.1)

де ρ – густина повітря, S та V – відповідно площа перетину та швидкість вітру в місці розташування колеса.

Сила F, яка діє на вітроколесо, визначається зміною імпульсу потоку:

(2.3.2)

Робота А, яка виконується цією силою F може бути визначена формулою:

(2.3.3)

Максимальна значення А_mах цієї роботи визначається співвідношенням [2]:

, (2.3.4)

Величина визначає потужність потоку в перетині S без вітроколеса.

Таким чином, максимально можливе значення коефіцієнта потужності:

, (2.3.5)

Коефіцієнт C_pmax називають теоретичною межею Бетца. Вперше цей коефіцієнт для вітродвигуна, який працює без втрат, був отриманий Н.Є. Жуковським – творцем аеродинаміки. В практичних розрахунках враховують вплив типу вітроколеса на величину С_р, в результаті чого він зменшується і складає:

. (2.3.6)

Менше значення С_р відноситься до багатолопастних тихохідних ВЕУ з вертикальною віссю обертання, більше – до горизонтально вісевих ВЕУ з двома-трьома лопастями типу «Пропелер».

Коефіцієнт С_р – один із головних параметрів, який характеризує ефективність вітротурбіни. Він визначає середню виробку електроенергії на конкретній установці.

Другим важливим параметром ВЕУ являється коефіцієнт швидкохідності Z, який визначають як відношення кільцевої швидкості кінців лопастей до швидкості V вітру. Кінець лопаті зазвичай рухається у площині вітроколеса з швидкістю яка в декілька разів більша швидкості повітряного потоку. Формула для визначення швидкохідності наступна:

, (2.3.7)

де R – радіус кола, яке ометується кінцевими елементами лопатів; ω – кутова частота; ; U – кільцева швидкість на кінцях лопатів; ; n – частота обертання, об./хв.; D – діаметр вітроколеса, м.

Величина Z знаходиться в межах 0,2÷10: для великих ВЕУ Z>1, для ВЕУ з великою кількістю лопатів Z=3, для ВЕУ з трьома лопатями та великою швидкістю обертання Z =6÷10.

В роботі вітроустановки виділяють два межевих режими [2]: режим з постійним коефіцієнтом швидкохідності Z і, як наслідок, з постійним коефіцієнтом С_р потужності та режим з постійною частотою обертання вітроколеса і, як наслідок, зі змінним коефіцієнтом С_р потужності. Характеристика вітроколеса, як правило, дається у вигляді залежностей коефіцієнта С_р і моменту M обертання від величини Z (рис. 2.3.2).

Замість моменту M часто використовується значення відносного моменту:

(2.3.8)

Рис. 2.3.2 Залежності коефіцієнта C_p потужності та моменту обертання вітродвигуна від коефіцієнта Z швидкохідності

Величині С_рмах відповідає значення номінального моменту . Відношення визначає перевантаження, відношення – зрушення, синхронну швидкість, відношення називають коефіцієнтом уходу.