В. Германович - Альтернативные источники энергии и энергосбережение

Определение.

Под идеальным ветродвигателем принято понимать такой двигатель, который имеет наиболее совершенное ветроколесо, лишенное каких-либо аэродинамических потерь.

Крыльчатые ветродвигатели получили преимущественное распространение, и только они выпускаются промышленностью. Крыльчатые двигатели делятся на две группы:

♦ быстроходные (малолопастные), с числом лопастей до 4;.

♦ тихоходные (многолопастные), имеющие от 4 до 24 лопастей, а в некоторых случаях и больше.

Примечание.

Чем меньше число лопастей, тем при прочих равных условиях ветроколесо имеет большее число оборотов.

Вот почему малолопастные ветродвигатели называются быстроходными. Быстроходность является одним из серьезных преимуществ этих ветродвигателей, так как делает более простой передачу мощности * таким быстроходным машинам, как, например, электрический генератор.

Кроме того, быстроходные ветродвигатели, как правило, более легкие, чем тихоходные. Как указывалось выше, они имеют более высокий коэффициент использования энергии ветра.

Однако у них имеется и недостаток, заключающийся в том, что их начальный момент трогания, т. е. вращающий момент, развиваемый на неподвижном ветроколесе, при одинаковых диаметрах ветроколес и скорости ветра в несколько раз меньше, чем у тихоходных ветроколес.

На рис. 1.3 приведены для сравнения аэродинамические характеристики двух одинаковых по диаметру ветроколес, одно из которых имеет 3, а другое — 18 лопастей.

Рис. 1.3. Аэродинамические характеристики тихоходного 18-лопастного и быстроходного 3-лопастного ветроколесо

Пунктирные линии — 18-лопастное ветроколесо, сплошные — 3-лопастное ветроколесо. По горизонтальной оси на этом графике отложена быстроходность, или число модулей Zветроколеса.

Эта величина определяется отношением окружной скорости ω∙ Rконца лопасти к скорости Vветра, набегающего на ветроколесо.

Примечание.

На рис. 1.3 видно, что наибольший коэффициент использования энергии ветра ветроколесо имеет лишь при определенной быстроходности, т. е. для каждой скорости ветра имеется одно единственное число оборотов, при котором мы получаем максимальный χ .

Кроме того, при одинаковой скорости ветра тихоходное ветроколесо имеет в несколько раз больший момент, чем быстроходное и, следовательно, будет начинать работать в случае одинаковой нагрузки при меньших скоростях ветра. Это очень важно для эксплуатации, так как возможное число часов работы ветродвигателя увеличивается.

Крыльчатые ветродвигатели работают за счет аэродинамических сил , возникающих на лопастях ветроколеса, при набегании на них воздушного потока. Так же, как и на крыльях самолета, на крыльях ветроколеса возникают подъемная сила и сила сопротивления поверхности. Подъемная сила и создает вращающий момент на ветроколесе.

Для того чтобы лучше использовать энергию ветра, т. е. получить большую мощность, крыльям придают обтекаемые, аэродинамические профили, а углы заклинения делают переменными вдоль лопасти (на конце — меньше, а ближе к валу — большие углы). На рис. 1.4 представлена схема крыльчатого ветроколеса.

Рис. 1.4. Схема крыльчатого ветроколесо

Крыло ветроколеса состоит из трех основных узлов: лопасти и маха, с помощью которого оно скрепляется со ступицей.

Определение.

Угол, который составляет лопасть с плоскостью вращения ветроколеса, называется углом заклиненияи обозначается буквой φ. Углы, под которыми ветер набегает на элементы лопасти, обозначаются буквой а и называются углами атаки.

Если бы ветроколесо было неподвижным, то направление потока, набегающего на лопасть, совпадало бы с направлением ветра (т. е. по стрелке V). Но так как ветроколесо вращается, то каждый элемент лопасти имеет определенную окружную скорость ω∙ R, которая тем больше, чем дальше отстоит элемент от оси ветроколеса. Эта скорость направлена в плоскости вращения ветроколеса. Таким образом, поток обдувает элементы лопасти с какой-то скоростью, складывающейся из скоростей Vи ω∙ R. Эта скорость получила название относительной скорости потока и обозначается буквой W.

Для каждого элемента лопасти эта скорость имеет свою величину и набегает под разными углами α. А так как наилучший режим работы крыльчатого ветродвигателя будет только при определенных углах атаки, то и приходится углы заклинения φделать переменными по длине лопасти.

Важно иметь в виду, что если лопасти выполнены одинакового качества и профиля, то мощность ветродвигателя практически очень мало зависит от числа лопастей.

Ведь мощность ветродвигателя, как и любого другого двигателя, определяется произведением развиваемого двигателем вращающего момента Мна угловую скорость ω.

Примечание.

Момент, развиваемый ветродвигателем, с уменьшением числа лопастей падает, однако примерно в той же пропорции возрастает число оборотов, т. е. угловая скорость. Таким образом, произведение М∙ ωостается почти постоянным, мало зависящим от числа лопастей.

Кроме ветродвигателей крыльчатого типа, известны карусельные, роторные и барабанные ветродвигатели.

Первые два типа имеют вертикальную ось вращения, а последний — горизонтальную.

В отличие от крыльчатых ветродвигателей, у которых все лопасти работают одновременно, создавая вращающий момент, у карусельных и барабанных ветродвигателей одновременно работает лишь часть лопастей, а именно тех, движение которых совпадает с направлением ветра.

Для того чтобы уменьшить сопротивление лопастей, идущих навстречу ветру, их прикрывают ширмой, либо делают изогнутыми.

Вращающий момент на ветроколесах этих типов двигателей возникает за счет разности давлений на лопастях.

Ввиду малой эффективности ( χ у этих ветродвигателей не превышает значения 0,18) и громоздкости, а также вследствие того, что они очень тихоходны, карусельные, барабанные и роторные двигатели в практике не нашли применения.

На сегодня существует два основных варианта работы ветрогенераторов.

Классическая несетевая схема: работа с аккумуляторными батареями и обычным инвертором. Этот вариант позволяет полностью или частично использовать автономное энергообеспечение. Для него неважно наличие общественной электросети (рис. 1.5).