Работа поверхности при действии на нее силы ветра

Классификация ветродвигателей по принципу работы

Существующие системы ветродвигателей по схеме устройства ветро-

колеса и его положению в потоке ветра разделяются на три класса.

Первый класс включает ветродвигатели, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения пер- пендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса парал- лельна потоку. Такие ветродвигатели называются крыльчатыми.

Быстроходностью называется отношение окружной скорости конца ло-

пасти к скорости ветра:

Z =w R. (6.2.1)

Крыльчатые ветродвигатели, согласно ГОСТ 2656-44, в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности, разделяются на три группы (рис. 6.2.1).

- ветродвигатели многолопастные, тихоходные, с быстроходностью

Z n £2.

- ветродвигатели малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные

мельницы, с быстроходностью

Z n >2.

- ветродвигатели малолопастные, быстроходные,

Z n ³3.

Ко второму классу относятся системы ветродвигателей с вертикаль-

ной осью вращения ветрового колеса. По конструктивной схеме они разби-

ваются на группы:

- карусельные, у которых нерабочие лопасти либо прикрываются шир-

мой, либо располагаются ребром против ветра;

- роторные ветродвигатели системы Савониуса.

К третьему классу относятся ветродвигатели, работающие по принци-

пу водяного мельничного колеса и называемые барабанными. У этих ветродвигателей ось вращения горизонтальна и перпендикулярна

направлению ветра.

Рис. 6.2.1. Схемы ветроколес крыльчатых ветродвигателей: 1 - многолопаст-

ных; 2-4 - малолопастных

Основные недостатки карусельных и барабанных ветродвигателей вы-

текают из самого принципа расположения рабочих поверхностей ветроколеса

в потоке ветра, а именно:

1. Так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воз- душного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопа- сти, а поочерёдно. В результате каждая лопасть испытывает прерывную на- грузку, коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким

и не превышает 10%, что установлено экспериментальными исследованиями.

2. Движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позво- ляет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться бы- стрее ветра.

3. Размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверх- ность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно уве- личивает его вес, отнесённый к единице установленной мощности ветро- двигателя.

У роторных ветродвигателей системы Савониуса наибольший коэффи-

циент использования энергии ветра 18%.

Крыльчатые ветродвигатели свободны от перечисленных выше недос-

татков карусельных и барабанных ветродвигателей. Хорошие аэродинамиче-

ские качества крыльчатых ветродвигателей, конструктивная возможность из- готовлять их на большую мощность, относительно лёгкий вес на единицу мощности – основные преимущества ветродвигателей этого класса.

Коммерческое применение крыльчатых ветродвигателей началось с

1980 года. За последние 14 лет мощность ветродвигателей увеличилась в 100

раз: от 20-60 кВт при диаметре ротора около 20 м в начале 1980 годов до

5000 кВт при диаметре ротора свыше 100 м к 2003 году (рис. 6.2.2). Некото- рые прототипы ветродвигателей имеют еще большие мощность и диаметр ротора. За тот же период стоимость генерируемой ветряками энергии снизи- лась на 80 % [4]. Зависимость стоимости электроэнергии от мощности ветродвигателей при их расположении на побережье и вдали от моря

представлена на рис. 6.2.3 (в ценах 2001 г.).

Рис. 6.2.2. Рост мощности и диаметра ротора коммерческих ветродвигателей

Рис. 6.2.3. Зависимость стоимости электроэнергии от мощности ветродвига-

телей при их расположении на побережье и вдали от моря

Скоростью ветра называют расстояние в метрах, проходимое массой воздуха в течение одной секунды. Скорость ветра постоянно меняется по ве- личине и направлению. Причиной этих изменений является неравномерное нагревание земной поверхности и неровности рельефа местности.

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

mV 2

. (6.3.1)

Масса воздуха, протекающая через поперечное сечение F со скоро-

стью V, равна:

m = r FV. (6.3.2)

Подставив (6.3.2) в выражение кинетической энергии (6.3.1), получим:

mV 2

r FV 3

=, (6.3.3)

откуда следует, что энергия ветра изменяется пропорционально кубу его ско-

рости.

Посмотрим, сколько процентов энергии ветра может превратить в по- лезную работу поверхность, поставленная перпендикулярно к направлению ветра и перемещающаяся в этом же направлении, что имеет место, например,

у ветродвигателей карусельного типа.

Мощность T определяется произведением силы	P	на скорость V:
T = PV.		(6.3.4)

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 соответственно увеличенной скорости её перемещения.

Допустим, мы имеем поверхность F, поставленную перпендикулярно к направлению ветра. Воздушный поток вследствие торможения его поверхно- стью получит подпор и будет обтекать её и производить давление силой Px. Вследствие действия этой силы поверхность будет перемещаться в направ- лении потока с некоторой скоростью U (рис. 6.3.3); работа при этом будет равна произведению силы на скорость U, с которой перемещается поверх- ность F, т. е.:

T = PxU, (6.3.5)

где

Px – сила сопротивления, которая равна:

Px = C xF

r(V

- U)2, (6.3.6)

где C x

– 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 скоро-

стью, равной:

W = V

- U. (6.3.7)

чим:

Подставив значение

Px из уравнения (6.3.6) в уравнение (6.3.5), полу-

T = C xF

r(V

- U)2 U, (6.3.8)

Рис. 6.3.3. Действие силы ветра на поверхность.

Определим отношение работы, развиваемой движущейся поверхно- стью и выраженной уравнением (6.3.8), к энергии ветрового потока, имею- щего поперечное сечение, равное этой поверхности, а именно:

C F r(V

- U)2 U

x= 2 = C (V

r V 3 x

- U)2 U

V 3

. (6.3.9)

После преобразований получим:

x = C

⎛

x ⎜1 -

⎝

U ⎞2 U

⎟

V ⎠ V

. (6.3.10)

Величину x называют коэффициентом использования энергии ветра.

Из уравнения (6.3.10) мы видим, что x зависит от скорости перемеще- ния поверхности в направлении ветра. При некотором значении скорости U коэффициент x получает максимальное значение. В самом деле, если ско- рость 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 ко-

торой совершается работа. Отсюда следует, что значение скорости U заклю-

чено в пределах между U =0

и U = V.

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

U =1 V. (6.3.11)