Ветроэнергетические установки. Типы и принципы работы

Энергия ветра преобразуется в другие виды энергии в ветроэнергетических установках (ВУ). Ветроколесо преобразует поступательное движение во вращательное, а непосредственное преобразование энергии происходит в генераторе или другой машине, приводимой ветроустановкой. В принципе преобразование механической энергии ветра в электроэнергию не отличается от преобразования механической энергии других источников. Однако, некоторые особенности все же существуют и отражаются на работе всей ветроустановки.

Классификация ветроэнергетических установок приведена на рисунке 6.4.

Типичным примером ветроустановки с горизонтальной осью вращения являются пропеллерная ветроустановка. Пропеллерные ветроустановки с горизонтальной осью вращения приводятся во вращение подъемной силой и называются лифт-машинами. Это быстроходные (число лопастей не превышает четырех) и среднескоростные (большое количество лопастей) установки.

Быстроходные ветроустановки развивают максимальный момент при больших оборотах и, следовательно, при значительном ветре, и дольше выходят на номинальный режим. Но при этом они более устойчивы к колебаниям скорости ветра.

Рисунок 6.4. Классификация ветроэнергетических

установок

Среднескоростные ветроустановки развивают значительный момент при относительно слабом ветре и быстрее выходят на номинальный режим. Однако они более чувствительны к колебаниям скорости ветра.

Ветроустановки с вертикальной осью вращения чаще всего приводятся во вращение силой давления ветра и называются драг-машинами. Это тихоходные и среднескоростные установки, скорость движения концов лопасти не превышает скорости ветра. К недостаткам таких установок относят их большую чувствительность к скорости ветра и низкие энергетические характеристики. К достоинствам – простоту конструкции, удобство обслуживания и практически неограниченный диапазон рабочих скоростей ветра, который определяется только лишь прочностью ветроустановки. Ветроустановки с вертикальной осью вращения бывают и пропеллерного типа, например ротор Дарье. Однако они не нашли широкого применения из-за необходимости предварительного разгона ветроустановки.

При движении воздуха он давит на обе поверхности ветроколеса (рисунок 6.5), но, из-за обтекания ветроколеса ветром, давление на вогнутую поверхность больше, чем на выпуклую. Силы давления на ветроколесо создают вращающие моменты, результирующий момент заставляет вращаться ветроколесо. В роторе Савониуса положительный вращающий момент, кроме того, создается и за счет давления на внутреннюю поверхность выпуклого ротора.

Рисунок 6.5. Схема действия сил

в роторе Савониуса

В лифт-машинах пропеллерного типа в момент трогания вращающий момент создается также силой давления ветра (рисунок 6.6). Однако впоследствии после начала движения лопасть набегает на движущийся воздух, благодаря чему создается дополнительная подъемная сила (рисунок 6.7). Наличие подъемной силы позволяет разогнать конец лопасти до скорости, превышающей скорость ветра.

Как следует из рисунка 6.7, вращающий момент лопасти создается суммой сил Р_ВР (составляющей силы давления) и Р_ПВР (составляющей подъемной силы). Это и позволяет разогнать конец лопасти до скорости, превышающей скорость ветра. Угловая частота вращения при этом достигает значения

(6.8)

где ω_В – угловая частота вращения ветроколеса, с^-1;

v_Л – скорость вращения конца лопасти, м/с;

R_B – радиус ветроколеса, м.

Рисунок 6.6. Силы, действующие на лопасть ветроколеса

в момент трогания

Р_В – сила ветра, Р_Д – сила давления на лопасть, Р_О – осевая сила давления, Р_ВР – сила, создающая вращающий момент.

Рисунок 6.7. Силы, действующие на лопасть ветроколеса

в период ее вращения

Р_В – сила ветра, Р_Вt – тангенциальная составляющая силы ветра, Р_Вn – нормальная составляющая силы ветра, Р_О – осевая сила давления, Р_ВР – сила давления, создающая вращающий момент, Р_П – подъемная сила, Р_ПВР – составляющая подъемной силы, создающая дополнительный вращающий момент.

Дата добавления: 2014-01-06