Принцип работы ветродвигателей

При конструировании ветродвигателя становится задача получить агрегат, который может работать при больших скоростях ветра и одновременно обеспечивать высокий КПД преобразования, т.е. срабатывать около 1/3 скоростного напора ветра. Выполнение последнего условия зависит от двух факторов формы лопастей и быстроходности.

У ветроколес с горизонтальной осью, параллельной потоку, в зависимости от рабочих параметров и условий работы обычно имеется либо две, либо три лопасти. Двухлопастное ветроколесо обеспечивает большую экономичность, чем трехлопастное, однако. первое в ряде случае подвержено значительным вибрационным нагрузкам, отсутствующим во втором случае. Центростремительную силу, действующую на лопасть, можно свести к минимуму, уменьшив ее массу. Для изготовления лопастей пригодны дерево, пластик и в особенности армированное стекловолокно, обладающее хорошими прочностными характеристиками. Стекловолокно выдерживает штормы, рабочие нагрузки, и, кроме того, исключительно технологично. Ветродвигатели, используемые для привода водяных насосов, снабжены большим количеством лопастей и поэтому имеют больший КПД при малых скоростях ветра. Для ветроколеса с горизонтальной осью вращения, форма и размеры которого заданы, это условие выполняется лишь при одном значении скорости. Таким образом, в конструкции ветродвигателя заложено некоторое максимальное значение скорости V_max, при котором он должен работать. При скоростях ветра ниже выходная мощность ветродвигателя меньше номинальной, а при скоростях, больших V_мах, падает КПД преобразования энергии ветра в механическую. Так, при увеличении скорости ветра на 33 % вырабатываемая мощность удвоится, а при ее уменьшении на 33 % упадет вдвое. Еще большее падение мощности произойдет при уменьшении скорости на 50 % будет вырабатываться лишь 12,5 % первоначального значения энергии.

Для ветродвигателя существует также минимально допустимая скорость ветра. Ветроколесо с горизонтальной осью вращения должно вращаться, начиная с некоторой минимальной скоростью ветра, но максимальная мощность вырабатывается лишь при номинальном значении скорости, которое выбирается на 9 - 16 км/ч больше среднегодовой скорости ветра для данной местности. При еще больших скоростях ветра выходная мощность удерживается на номинальном уровне, для чего на практике используется соответствующий принцип управления. Он обеспечивает постоянство мощности при всех скоростях ветра, превышающих заданное номинальное значение, что достигается в большинстве систем механическим регулятором либо изменения угла атаки лопасти, при котором снижается КПД преобразования ветровой энергии в механическую. Защита от разрушения лопастей при чрезмерной силе ветра осуществляется с помощью поворотного механизма, который при заданной предельной скорости ветра разворачивает лопасти во флюгерное положение.

Имеется несколько типов ветродвигателей с вертикальной осью вращения. На рисунке 1 показана конструкция ротора Савониуса. Он, как правило, изготавливается из цилиндрической трубы, разрезанной вдоль и закрепленной между верхним и нижним фланцами.

Рис.1. Схема работы ветродвигателя с вертикальной осью вращения. 1 – область разрежения; 2 – область повышенного давления.

Обе половины этой трубы несколько раздвинуты (рис. 1 б), так что зазор между ними может меняться. При отсутствии зазора (рис. 1 а) зона низкого давления, создаваемая за "крылом", тормозит вращение и тем самым уменьшает крутящий момент. Развиваемая мощность будет максимальной, если расстояние между половинами цилиндра равно примерно половине диаметра трубы. Несмотря на выгоды, связанные с простотой конструкции, такой агрегат не может сравниться по мощности с ветродвигателем с горизонтальной осью вращения, работающим с хорошим КПД.

Другим типом ветроприемного устройства с вертикальной осью вращения, который был исследован, является ротор Дарье. Он оснащен двумя или тремя тонкими лопастями, напоминающими по форме венчик для сбивания белка, который вращается с очень большой скоростью (в три - четыре раза превышающей скорость ветра). Ветродвигатель с ротором Дарье сам не запускается, для выхода на нормальный режим работы его раскручивают до рабочих скоростей с помощью вспомогательного двигателя.

Ветродвигатели с вертикальной осью вращения обладают тем преимуществом, что они допускают установку непосредственно на земле, не требуя сооружения башен и необходимых опорных конструкций.

Развитие новых технологий использования традиционных топливных ресурсов - подземной газификации угля, перегонки нефтесодержащих пород и снижает экономический стимул развития ветроэнергетики.

Нет смысла говорить о глобальных запасах энергии ветра, так как полностью эта энергия использоваться никогда не будет. Вредные воздействия ветроустановок на окружающую среду выражается в следующем: они портят пейзаж; создают шум; создают электоромагнитные помехи.

Первые два фактора не столь серьезны. В конце концов, они не представляют ничего необычного, мы свыклись с видом нефтехранилищ, фабрик, электростанций и т.п. Последний фактор более серьезен, поскольку спектр помех охватывает и частоты телевизионных каналов, эффективных путей, борьбы с этим явлением еще не найдено, но эксперименты с ветровыми колесами, изготовленными из стекловолокон, дают обнадеживающие результаты.

Дата добавления: 2015-07-18