Классификация ветроустановок по принципу работы. Ветрогенераторы: классификация и типы, конструкция и схема работы Схемы рабочих органов современных ветродвигателей

Рост производства энергии за счет использования не возобновляемых природных ресурсов ограничен порогом, за которым стоит полная выработка сырья. Альтернативная энергетика, включая ветрогенерацию энергии, обеспечит снижение нагрузки на среду обитания.

Движение любой массы, в том числе и воздушной, порождает энергию. Ветряной двигатель преобразует кинетическую энергию воздушного потока в механическую. Это устройство основа ветроэнергетики, альтернативного направления в использовании природных ресурсов.

Эффективность

Оценить энергетическую эффективность агрегата определённого типа и конструкции, сравнить её с показателями подобных двигателей довольно просто. Необходимо определить коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ). Рассчитывается он как отношение мощности, полученной на валу ветродвигателя, к мощности ветрового потока, действующего на поверхность ветроколеса.

Коэффициент использования энергии ветра для различных установок составляет от 5 до 40%. Оценка будет неполной без учёта затрат на проектирование и строительство объекта, количества и стоимости генерируемой электроэнергии. В альтернативной энергетике срок окупаемости затрат на ветродвигатель является важным фактором, но также обязателен учёт полученного экологического эффекта.

Классификация

Ветродвигатели по принципам использования выработанной энергии делятся на два класса:
линейные;
циклические.

Линейного типа

Линейный или мобильный ветродвигатель преобразует энергию потока воздуха в механическую энергию движения. Это могут быть парус, крыло. С инженерной точки зрения это не ветродвигатель, а движитель.

Циклического типа

В циклических двигателях сам корпус неподвижен. Потоком воздуха вращаются, совершая циклические движения, его рабочие части. Механическая энергия вращения наиболее подходит для выработки электричества, универсального вида энергии. К циклическим ветродвигателям относят ветроколеса. Ветроколеса начиная от древних ветряных мельниц кончая современными ветроэнергетическими установками, различаются по конструкционным решениям, по полноте использования силы воздушного потока. Устройства делятся на быстроходные и тихоходные, а также по горизонтальному или вертикальному направлению оси вращения ротора.

Горизонтальные

Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения называют крыльчатыми. На вале ротора закрепляются несколько лопастей (крыльев) и маховик. Сам вал расположен горизонтально. Основные элементы устройства: ветроколесо, головка, хвост и башня. Ветроколесо монтируется во вращающейся вокруг вертикальной оси головке, в которой крепится вал двигателя, размещаются передаточные механизмы. Хвост исполняет роль флюгера, разворачивая головку с ветроколесом против направления потока ветра.

При высоких скоростях перемещения потоков воздуха (15 м/с и выше) рационально применение быстроходных горизонтальных ветродвигателей. Двух, трёх лопастные агрегаты от ведущих производителей обеспечивают КИЭВ 30%. Самостоятельно изготовленный ветродвигатель имеет коэффициент использования воздушного потока до 20%. Эффективность работы устройства зависит от тщательного расчёта и качеством изготовления лопастей.

Крыльчатые ветродвигатели и ветроустановки обеспечивают высокую скорость вращения вала, что позволяет передать мощность непосредственно на вал генератора. Существенным недостатком является, что при слабом ветре подобные ветряные двигатели не будут работать вообще. Существуют проблемы запуска при переходе от безветрия к усилению ветра.

Тихоходные горизонтальные двигатели имеют большее количество лопастей. Значительная площадь взаимодействия с воздушным потоком делает их более эффективными при слабых ветрах. Но установки обладают значительной парусностью, что требует принятия мер по их защите от порывов ветра. Лучший показатель КИЭВ 15%. В промышленных масштабах такие установки не используются.

Вертикальные карусельного типа

В подобных устройствах на вертикальной оси колеса (роторе) устанавливаются лопасти, принимающие поток воздуха. Корпус и система заслонок обеспечивает попадание ветрового потока на одну половину ветроколеса, полученный результирующий момент приложения сил обеспечивает вращение ротора.

По сравнению с крыльчатыми агрегатами карусельный ветродвигатель вырабатывает больший момент вращения. При увеличении скорости потока воздуха он быстрее выходит на рабочий режим (по силе тяги), стабилизируется по оборотам вращения. Но такие агрегаты тихоходны. Для преобразования вращения вала в электрическую энергию требуется специальный генератор (многополюсный), способный работать на малых оборотах. Генераторы подобного типа мало распространены. Применение системы редукторов ограничено низким КПД.

Карусельный ветродвигатель проще эксплуатировать. Сама конструкция обеспечивает автоматическое регулирование числа оборотов ротора, позволяет отслеживать направление ветра.

Вертикальные: ортогональные

Для большой энергетики наиболее перспективны ортогональные ветродвигатели и ветроустановки. Диапазон использования подобных агрегатов, по скорости ветра, от 5 до 16 м/с. Вырабатываемая ими мощность доведена до 50 тыс. квт. Профиль лопасти ортогональной установки подобен профилю крыльев самолёта. Чтобы крыло начало работать надо подать на него поток воздуха, как во время разбега самолёта при взлёте. Ветродвигатель тоже надо предварительно раскрутить, затратив энергию. После выполнения этого условия установка переходит в режим генератора.

Выводы

Энергия ветра один из наиболее перспективных возобновляемых источников энергии. Опыт промышленного использования ветродвигателей и ветроустановок показывает, что эффективность зависит от размещения ветрогенераторов в местах, с благоприятными воздушными потоками. Использование современных материалов в конструкциях агрегатов, применение новых схем генерации и накопления электроэнергии обеспечит дальнейшее повышение надёжности и энергоэффективности ветродвигателей.

В настоящее время имеется много систем ветродвигателей, как с горизонтальной, так и с вертикальной осью вращения. Отличаются они друг от друга не только внешним видом и устройством, но и техническими возможностями в зависимости от того, для каких целей они применяются. По устройству приемника энергии ветра и по расположению его в воздушном потоке различают несколько систем ветродвигателей.

Мы уже говорили о ветродвигателях карусельного и барабанного типа. Известен еще так называемый роторный ветродвигатель (рис. 23). Его лопасти вращаются, как у карусельного ветродвигателя, в горизонтальной плоскости и приводят в движение вертикальный вал.

Рис. 23. Ветродвигатель роторного типа

Широко распространены в настоящее время крыльчатые ветродвигатели, самым древним типом которых и являются обычные ветряные мельницы. Основной частью любого крыльчатого ветродвигателя является ветровое колесо. Оно состоит из нескольких лопастей и вращается под действием ветра. При помощи пары конических шестерен, смонтированных на головке ветродвигателя (рис. 24), вращение колеса превращается в более быстрое движение вертикального вала или в возвратно-поступательное перемещение приводной штанги.

Рис. 24. Схема крыльчатого ветродвигателя

Для поворота головки и ветрового колеса на ветер у ветряных мельниц имеется водило, а у современных небольших ветродвигателей - хвост с вертикальным оперением на конце. У крупных крыльчатых ветродвигателей существуют и другие более сложные механизмы для автоматического установа ветрового колеса на ветер. Чтобы скорость вращения ветроколеса не превышала предельной, имеется специальное устройство для автоматического регулирования числа оборотов.

Обычно у поверхности земли воздушный поток вследствие различных препятствий бывает неравномерным, ослабленным, поэтому ветровое колесо устанавливают на высокой мачте или башне, выше препятствий.

По устройству ветровых колес современные крыльчатые ветродвигатели делятся на быстроходные и тихоходные.

У тихоходного ветродвигателя ветровое колесо состоит из большого числа лопастей (рис. 25). Оно легко трогается с места. Благодаря этому тихоходный ветродвигатель удобен для работы с поршневым насосом и другими машинами, требующими при пуске в работу большое начальное усилие.

Рис. 25. Современный многолопастный ветродвигатель TB-5 мощностью до 2,5 лошадиной силы

Тихоходные ветродвигатели в основном используются в районах, где скорость ветра в среднем не превышает 4,5 метра в одну секунду. Все механизмы многопластных ветродвигателей, как правило, несколько проще, чем у быстроходных. Однако ветровые колеса тихоходных ветродвигателей представляют собой довольно громоздкие конструкции. При больших размерах таких колес трудно создать необходимую устойчивость, особенно при высоких скоростях ветра. Поэтому в настоящее время многолопастные ветродвигатели строятся с диаметрами ветровых колес не более 8 метров. Мощность такого ветродвигателя достигает 6 лошадиных сил. Этой мощности вполне достаточно для того, чтобы подавать на поверхность воду из скважин глубиной до 200 метров.

Быстроходные ветродвигатели имеют в ветровом колесе не более четырех крыльев с обтекаемым профилем (см., например, рис. 27).

Рис. 27. Ветродвигатель 1-Д-18 мощностью до 30 киловатт

Это дает возможность им хорошо выдерживать очень сильные ветры. Даже при сильном и порывистом ветре хорошо устроенные механизмы регулирования создают равномерное вращение ветровых колес быстроходных ветродвигателей.

Эти положительные особенности быстроходных ветродвигателей позволяют им работать при переменном ветре любой силы.

Поэтому быстроходные ветродвигатели могут строиться с очень большими диаметрами ветровых колес, достигающими пятидесяти и более метров и развивающими мощность несколько сот лошадиных сил.

Благодаря высокой и устойчивой равномерности у ветровых колес быстроходные ветродвигатели используются для привода самых разнообразных машин и электрических генераторов. Современные быстроходные ветродвигатели являются универсальными машинами.

Сравнение ветродвигателей различных систем удобно производить, вводя понятие о нормальной быстроходности. Эта быстроходность определяется отношением окружной скорости на внешнем конце вращающейся лопасти при скорости ветра 8 метров в секунду к скорости воздушного потока.

Лопасти карусельных, роторных и барабанных ветродвигателей при работе перемещаются вдоль воздушного потока и скорость любой их точки никогда не может быть больше скорости ветра. Поэтому нормальная быстроходность ветродвигателей этих типов будет всегда меньше единицы (так как числитель будет меньше знаменателя).

Ветровые колеса крыльчатых ветродвигателей вращаются поперек направления ветра, а поэтому скорость движения концевых частей у их крыльев достигает больших величин. Она может быть в несколько раз больше скорости воздушного потока. Чем меньше лопастей и лучше их профиль, тем меньшее сопротивление испытывает ветровое колесо. Значит, тем быстрее оно вращается. Лучшие образцы современных крыльчатых ветродвигателей имеют нормальную быстроходность, достигающую девяти единиц. Большинство ветродвигателей заводского производства имеет быстроходность, равную 5-7 единицам. Для сравнения отметим, что даже лучшие крестьянские мельницы имели быстроходность, равную всего 2-3 единицам (и в этом смысле они являются более совершенными, чем карусельные, роторные и барабанные ветродвигатели).

С ростом числа лопастей у ветрового колеса увеличивается его способность трогаться с места при небольших скоростях ветра. Поэтому многолопастные крыльчатые ветродвигатели, у которых суммарная площадь лопастей составляет 60-70 процентов от ометаемой поверхности (см. рис. 20) ветрового колеса, вступают в работу при скоростях ветра 3-3,5 метра в секунду.

Рис. 20. Мельница козлового типа

Быстроходные же ветродвигатели с малым числом лопастей трогаются с места при скоростях ветра от 4,5 до 6 метров в секунду. Поэтому их приходится пускать в работу или без нагрузки или при помощи специальных устройств.

Хорошее трогание с места и простота конструкции карусельных, роторных и барабанных ветродвигателей подкупают многих изобретателей и конструкторов, которые считают их идеальными ветродвигателями. В действительности, однако, эти машины имеют ряд существенных недостатков. Эти недостатки затрудняют их использование даже с такими распространенными и простыми машинами, как поршневые насосы и жерновые мукомольные установки.

Ветродвигатели с приемниками энергии ветра роторного типа очень плохо используют энергию воздушного потока, коэффициент использования энергии ветра у них в 2-2,5 раза меньше, чем у крыльчатых ветродвигателей. Поэтому при равных ометаемых лопастями поверхностях крыльчатые ветродвигатели могут развить мощность в 2- 2,5 раза большую, чем карусельные, роторные и барабанные ветросиловые установки.

Ветродвигатели роторного типа в настоящее время используются лишь в виде небольших кустарных установок мощностью до 0,5 лошадиной силы. Например, они находят применение для привода в движение различных вентиляционных устройств в помещениях для скота, кузницах и других производственных помещениях в сельском хозяйстве.

От чего зависит мощность ветродвигателя?

Мы знаем, что энергия воздушного потока непостоянна, поэтому любой ветряной двигатель имеет переменную мощность. Мощность любого ветродвигателя зависит от скорости ветра. Установлено, что при увеличении скорости ветра в два раза мощность на крыльях ветродвигателя увеличивается в 8 раз, а при росте скорости воздушного потока в 3 раза мощность ветродвигателя увеличивается в 27 раз.

Мощность ветродвигателя зависит также и от величины приемника энергии ветра. В этом случае она пропорциональна той площади, которую ометают лопасти ветрового колеса или ротора. Например, у крыльчатых ветродвигателей ометаемая лопастями поверхность будет площадью круга, который описывает конец лопасти за один полный оборот. У барабанных, карусельных и роторных ветродвигателей ометаемая лопастями поверхность представляет площадь прямоугольника с высотой, равной длине лопасти, и с шириной, равной расстоянию между наружными кромками противоположных лопастей.

Однако любое ветровое колесо или ротор превращает в полезную механическую работу лишь часть энергии воздушного потока, проходящего через ометаемую лопастями поверхность. Эта часть энергии определяется коэффициентом использования энергии ветра. Величина коэффициента использования энергии ветра всегда меньше единицы. У лучших современных быстроходных ветродвигателей этот коэффициент достигает 0,42. У серийных заводских быстроходных и тихоходных ветродвигателей коэффициент использования энергии ветра обычно равен 0,30-0,35; это значит, что примерно лишь одна треть энергии воздушного потока, проходящего через ветровые колеса ветродвигателей, превращается в полезную работу. Остальные две трети энергии остаются не использованными.

Советский ученый Г. X. Сабинин на основании расчетов установил, что даже у идеального ветряка коэффициент использования энергии ветра равен только 0,687.

Почему же этот коэффициент не может быть равным или даже близким к единице?

Объясняется это тем, что часть энергии ветра затрачивается на образование вихрей у лопастей и скорость ветра за ветроколесом падает.

Таким образом, фактическая величина мощности ветродвигателя зависит от коэффициента использования энергии ветра. Мощность ветродвигателя пропорциональна его значению. Это значит, что с увеличением коэффициента использования энергии ветра увеличивается мощность ветродвигателя, и наоборот.

Барабанные, карусельные и роторные ветродвигатели с простейшими лопастями имеют очень низкие коэффициенты использования энергии ветра. Их значения колеблются в широких пределах от 0,06 до 0,18. У крыльчатых же двигателей этот коэффициент находится в пределах от 0,30 до 0,42.

Кроме этого, полезная мощность любого ветродвигателя пропорциональна еще коэффициенту полезного действия механизма передачи, а также плотности воздуха. Обычно коэффициент полезного действия механизмов современных ветродвигателей равен от 0,8 до 0,9.

Из сказанного о мощности ветродвигателя следует, что при данном ветре тот ветродвигатель будет иметь более высокую мощность, у которого через поверхность, ометаемую крыльями, протекает наибольшее количество воздушного потока, а лопасти ветроколеса имеют хорошо обтекаемый профиль.

Принцип действия всех ветродвигателей один: под напором ветра вращается ветроколесо с лопастями, передавая крутящий момент через систему передач валу генератора, вырабатывающего электроэнергию, водяному насосу. Чем больше диаметр ветроколеса, тем больший воз-душный поток оно захватывает и тем больше энергии вырабатывает аг-регат.

Традиционная компоновка ветряков – с горизонтальной осью вращения (рис.3 ) – неплохое решение для агрегатов малых размеров и мощностей. Когда же размахи лопастей выросли, такая компоновка оказалась неэффективной, так как на разной высоте ветер дует в разные стороны. В этом случае не только не удается оптимально ориентировать агрегат по ветру, но и возникает опасность разрушения лопастей. Кроме того, концы лопастей крупной установки, двигаясь с большой скоростью, создают шум. Однако главное препятствие на пути использования энергии ветра всеже экономическая – мощность агрегата остается небольшой и доля затрат на его эксплуатацию оказывается значительной. Маломощные агрегаты могут вырабатывать энергию примерно втрое более дорогую.

Рисунок 3 - Крыльчатый ветродвигатель

Существующие системы ветродвигателей по схеме устройства ветроколеса 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 перпендикулярна направлению ветра, и, следовательно, ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветродвигатели называются крыльчатыми.

Быстроходностью называется отношение окружной скорости (ωR) конца лопасти к скорости ветра V:

Z = ωR .

Крыльчатые ветродвигатели, согласно ГОСТ 2656-44, в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности разделяются на три группы (рисунок 4):

Ø ветродвигатели многолопастные, тихоходные, с быстроходностью Zn £2;

Ø ветродвигатели малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные мельницы, с быстроходностью Zn > 2;

Ø ветродвигатели малолопастные, быстроходные, Zn ³3.

Рисунок.4 - Схемы ветроколес крыльчатых ветродвигателей: 1 – многолопастных; 2–4 – малолопастных

Ко второму классу относятся системы ветродвигателей с вертикальной осью вращения ветрового колеса . По конструктивной схеме они разбиваются на группы:

- карусельные , у которых нерабочие лопасти либо прикрываются ширмой, либо располагаются ребром против ветра (рисунок 5 поз. 1);

- роторные ветродвигатели системы Савониуса.

К третьему классу относятся ветродвигатели, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называемыебарабанными (рисунок 5, поз.7) . У этих ветродвигателей ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра.

Рисунок 5 - Типы ветродвигателей: 1 – карусельный; 2–3 многолопастные; 4–5 – малолопастные; 6 – ортогональный; 7 - барабанный

Основные недостатки карусельных и барабанных ветродвигателей вытекают из самого принципа расположения рабочих поверхностей ветроколеса в потоке ветра:

1. Так как рабочие лопасти колеса перемещаются в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не одновременно на все лопасти, а поочерёдно. В результате каждая лопасть испытывает прерывную нагрузку, коэффициент использования энергии ветра получается весьма низким и не превышает 10 %,.

2. Движение поверхностей ветроколеса в направлении ветра не позволяет развить большие обороты, так как поверхности не могут двигаться быстрее ветра.

3. Размеры используемой части воздушного потока (ометаемая поверхность) малы по сравнению с размерами самого колеса, что значительно увеличивает его вес, отнесённый к единице установленной мощности ветродвигателя.

Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать при любом направлении ветра не изменяя своего положения.

У роторных ветродвигателей системы Савониуса наибольший коэффициент использования энергии ветра 18 %.

Крыльчатые ветродвигатели свободны от перечисленных выше недостатков карусельных и барабанных ветродвигателей. Хорошие аэродинамические качества крыльчатых ветродвигателей, конструктивная возможность изготовлять их на большую мощность, относительно лёгкий вес на единицу мощности – основные преимущества ветродвигате-лей этого класса

Коммерческое применение крыльчатых ветродвигателей началось с 1980 года. За последние 14 лет мощность ветродвигателей увеличи-лась 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. 7.6).

Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.

Для крыльчатых ветродвигателей , наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения. С этой целью применяют крыло-стабилизатор.

Коэффициент использования энергии ветра (рисунок.4) у крыльчатых ветродвигателей намного выше, чем у карусельных. В то же время, у карусельных – намного больше момент вращения. Он максимален для карусельных лопастных агрегатов при нулевой относительной скорости ветра.

Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения. Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора. Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому агрегаты с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Различие в аэродинамике дает карусельным установкам преиму-щество в сравнении с традиционными ветряками (рисунок 7). При увеличении ско-рости ветра они быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения стабилизируется. Карусельные ветродвигатели тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию при случайном порыве ветра. Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требова-ние – использование многополюсного генератора работающего на ма-лых оборотах. Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов (Мультипликатор [лат. multiplicator умножающий] – повышающий редуктор) не эффективно из-за низкого КПД последних.

Еще более важным преимуществом карусельной конструкции ста-ла ее способность без дополнительных ухищрений следить за тем «от-куда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков. Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.

Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в экс-плуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование макси-мальной скорости вращения в процессе работы. С увеличением нагруз-ки уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.

При взаимодействии потока с лопастью возникают:

1) сила сопротивления, параллельная вектору относительной ско-рости набегающего потока;

2) подъемная сила, перпендикулярная силе сопротивления;

3) завихрение обтекающего лопасти потока;

4) турбулизация потока, т. е. хаотические возмущения его скоро-сти по величине и направлению;

5) препятствие для набегающего потока.

Препятствие для набегающего потока характеризуется парамет-ром, называемым геометрическим заполнением и равным отношению площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к ометаемой ими площади.

Основные классифицирующие признаки ветроэнергетических ус-тановок можно определить по следующим критериям:

1. Если ось вращения ветроколеса параллельна воздушному пото-ку, установка будет горизонтально-осевой, если ось вращения ветроко-леса перпендикулярна воздушному потоку – вертикально-осевой.

2. Установки, использующие в качестве вращающей силы силу сопротивления (драг-машины), как правило вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра, а установки, использующие подъем-ную силу (лифт-машины), имеют линейную скорость концов лопастей, существенно большую скорости ветра.

3. Для большинства установок геометрическое заполнение ветро-колеса определяется числом лопастей. ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабом ветре, и максимум мощности достигается при неболь-ших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот режим. Поэтому первые установки используются, например, в качестве водяных насосов и даже при слабом ветре сохраняют работоспособ-ность, вторые – в качестве электрогенераторов, где требуется высокая частота вращения.

4. Установки для непосредственного выполнения механической работы часто называют ветряной мельницей или турбиной, установки для производства электроэнергии, т. е. совокупность турбины и элек-трогенератора, называют ветроэлектрогенераторами, аэрогенераторами, а также установками с преобразованием энергии.

5. У аэрогенераторов, подключенных напрямую к мощной энерго-системе, частота вращения постоянна вследствие эффекта ассинхрони-зации, но такие установки менее эффективно используют энергию вет-ра, чем установки с переменной частотой вращения.

6. Ветроколесо может быть соединено с электрогенератором на-прямую (жесткое сопряжение) или через промежуточный преобразова-тель энергии, выполняющий роль буфера. Наличие буфера уменьшает последствия флуктуации частоты вращения ветроколеса, позволяет бо-лее эффективно использовать энергию ветра и мощность электрогенера-тора. Кроме того, существуют частично развязанные схемы соединения колеса с генератором, называемые мягкосопряженными. Таким образом, нежесткое соединение, наряду с инерцией ветроколеса, уменьшает влияние флуктуаций скорости ветра на выходные параметры электроге-нератора. Уменьшить это влияние позволяет также упругое соединение лопастей с осью ветроколеса, например, с помощью подпружинных шарниров.

Ветроколесо с горизонтальной осью. Рассмотрим горизонталь-но-осевые ветроколеса пропеллерного типа. Основной вращающей си-лой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней.

В ветроэлектрогенераторах обычно используются двух- и трехло-пастные ветроколеса, последние отличаются очень плавным ходом. Электрогенератор и редуктор, соединяющий его с ветроколесом, распо-ложены обычно на верху опорной башни в поворотной головке.

Многолопастные колеса, развивающие большой крутящий момент при слабом ветре, используются для перекачки воды и других целей, не требующих высокой частоты вращения ветрового колеса.

Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью (рисунок 7) . Ветроэлекторо-генераторы с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет за счет только удлинения вала установить редуктор с генераторами внизу башни.

Принципиальными недостатками таких установок являются: го-раздо большая подверженность их усталостным разрушениям из-за бо-лее часто возникающих в них автоколебательных процессов и пульса-ция крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям вы-ходных параметров генератора. Из-за этого подавляющее большинство ветроэлектрогенераторов выполнено по горизонтально-осевой схеме, однако исследования различных типов вертикально-осевых установок продолжаются.

Наиболее распространенные типы вертикально-осевых установок следующие:

1.Чашечныйротор(анемометр). Ветроколесо этого типа вра-щается силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспечи-вает практически линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра.

2.РоторСавониуса. Это колесо также вращается силой сопро-тивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямо-угольной формы, т. е. отличаются простотой и дешевизной. Вращаю-щий момент создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой относительно него лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения это вет-роколесо обладаем большим крутящим моментом и используется для перекачки воды.

3.РоторДарье. Вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или на трех тонких изогнутых несущих поверхно-стях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила макси-мальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Ротор Дарье используется в ветроэлек-трогенераторах. Раскручиваться самостоятельно ротор, как правило, не может, поэтому для его запуска обычно используется генератор, рабо-тающий в режиме двигателя.

4.РоторМасгрува. Лопасти этого ветроколеса в рабочем состоя-нии расположены вертикально, но имеют возможность вращаться или складываться вокруг горизонтальной оси при отключении. Существуют различные варианты роторов Масгрува, но все они отключаются при сильном ветре.

5.РоторЭванса. Лопасти этого ротора в аварийной ситуации и при управлении поворачиваются вокруг вертикальной оси.

Рисунок 7 - Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью

Концентраторы. Мощность ветроэнергоустановки зависит от эффективности использования энергии воздушного потока. Одним из способов ее повышения является использование специальных концен-траторов (усилителей) воздушного потока. Для горизонтально-осевых ветроэлектрогенераторов разработаны различные варианты таких кон-центраторов. Это могут быть диффузоры или конфузоры (дефлекторы), направляющие на ветроколесо воздушный поток с площади, большей ометаемой площади ротора, и некоторые другие устройства. Широкого распространения в промышленных установках концентраторы пока не получили.

устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат - колесо , приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания. Историческая справка. Хотя приземные ветры дуют не всегда, меняют свое направление и сила их непостоянна, ветродвигатель представляет собой одну из древнейших машин для получения энергии из природных источников. Из-за сомнительной надежности древних письменных сообщений о ветродвигателях не вполне ясно, когда и где такие машины появились впервые. Но, судя по некоторым записям, они существовали уже до 7 в. н.э. Известно, что в Персии их применяли в 10 в., а в Западной Европе первые устройства этого типа появились в конце 12 в. В течение 16 в. окончательно сформировался шатровый тип голландской ветряной мельницы. Особых изменений в их конструкции не наблюдалось вплоть до начала 20 в., когда в результате исследований были значительно усовершенствованы формы и покрытия крыльев мельниц. Поскольку низкооборотные машины громоздки, во второй половине 20 в. стали строить высокооборотные ветродвигатели, т.е. такие, ветроколеса которых могут совершать большое число оборотов в минуту с высоким коэффициентом использования энергии ветра. Современные типы ветродвигателей. В настоящее время применяются три основных типа ветродвигателей - барабанный, крыльчатый (винтового типа) и роторный (с S-образным профилем репеллера). Барабанный и крыльчатый. Хотя ветроколесо барабанного типа имеет наименьший коэффициент использования энергии ветра по сравнению с другими современными репеллерами, применяется оно наиболее широко. На многих фермах с его помощью качают воду, если по какой-либо причине нет сетевого электричества. Типичная форма такого колеса с лопастями из листового металла приведена на рис.1. Ветроколеса барабанного и крыльчатого типа вращаются на горизонтальном валу, так что их необходимо поворачивать на ветер, чтобы получить наилучшие эксплуатационные характеристики. Для этого им придается руль направления - лопасть, расположенная в вертикальной плоскости, чем и обеспечивается разворот ветроколеса на ветер. Диаметр колеса крупнейшего в мире ветродвигателя крыльчатого типа составляет 53 м, максимальная ширина его лопасти равна 4,9 м. Ветроколесо напрямую соединено с электрическим генератором мощностью 1000 кВт, которая развивается при скорости ветра не менее 48 км/ч. Его лопасти регулируются таким образом, что скорость вращения ветроколеса остается постоянной и равной 30 об/мин в диапазоне скоростей ветра от 24 до 112 км/ч. Благодаря тому, что в местности, где располагают такие ветродвигатели, ветры дуют довольно часто, ветроэнергетическая установка обычно вырабатывает 50% максимальной мощности и питает общественную электросеть. Крыльчатые ветродвигатели широко применяются в отдаленных сельских районах для обеспечения электроэнергией ферм, в том числе для зарядки аккумуляторов систем радиосвязи. Их также используют в бортовых энергетических установках самолетов и управляемых ракет. S-образный ротор. Установленный на вертикальном валу S-образный ротор (рис.2) хорош тем, что ветродвигатель с таким репеллером не надо выводить на ветер. Хотя крутящий момент на его валу меняется от минимального до одной трети от максимального значения за полоборота, он не зависит от направления ветра. Когда гладкий круговой цилиндр вращается, находясь под действием ветра, на тело цилиндра действует сила, перпендикулярная направлению ветра. Это явление называется эффектом Магнуса, в честь немецкого физика , который его изучал (1852). В 1920-1930 А.Флеттнер применил вращающиеся цилиндры (роторы Флеттнера) и S-образные роторы взамен лопастных ветроколес, а также как движители корабля, который совершил переход из Европы в Америку и обратно. Коэффициент использования энергии ветра. Мощность, получаемая от ветра, обычно мала - менее 4 кВт развивает агрегат устаревшего типа голландской ветряной мельницы при скорости ветра 32 км/ч. Мощность потока ветра, которую можно использовать, образуется из кинетической энергии масс воздуха, проносящихся в единицу времени перпендикулярно площади заданного размера. В ветродвигателе эта площадь определяется наветренной поверхностью репеллера. При учете высоты над уровнем моря, давления воздуха на ней и его температуры располагаемая мощность N (в кВт) на единицу площади определяется уравнением N = 0,0000446 V3 (м/с). Коэффициент использования энергии ветра определяется обычно как отношение мощности, развиваемой на валу ветродвигателя, к располагаемой мощности ветрового потока, воздействующего на наветренную поверхность ветроколеса. Максимальным этот коэффициент становится при определенном соотношении между скоростью внешнего края лопасти ветроколеса w и скорости ветра u; значение этого соотношения w/u зависит от типа ветродвигателя. Коэффициент использования энергии ветра зависит от вида ветроколеса и составляет от 5-10% (голландская мельница с плоскими крыльями, w/u = 2,5) до 35-40% (профилированный крыльчатый репеллер, 5 ? w/u ? 10).

Содержание статьи

ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ, устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.

Историческая справка.

Хотя приземные ветры дуют не всегда, меняют свое направление и сила их непостоянна, ветродвигатель представляет собой одну из древнейших машин для получения энергии из природных источников. Из-за сомнительной надежности древних письменных сообщений о ветродвигателях не вполне ясно, когда и где такие машины появились впервые. Но, судя по некоторым записям, они существовали уже до 7 в. н.э. Известно, что в Персии их применяли в 10 в., а в Западной Европе первые устройства этого типа появились в конце 12 в. В течение 16 в. окончательно сформировался шатровый тип голландской ветряной мельницы. Особых изменений в их конструкции не наблюдалось вплоть до начала 20 в., когда в результате исследований были значительно усовершенствованы формы и покрытия крыльев мельниц. Поскольку низкооборотные машины громоздки, во второй половине 20 в. стали строить высокооборотные ветродвигатели, т.е. такие, ветроколеса которых могут совершать большое число оборотов в минуту с высоким коэффициентом использования энергии ветра.

Современные типы ветродвигателей.

В настоящее время применяются три основных типа ветродвигателей барабанный, крыльчатый (винтового типа) и роторный (с S-образным профилем репеллера).

Барабанный и крыльчатый.

Хотя ветроколесо барабанного типа имеет наименьший коэффициент использования энергии ветра по сравнению с другими современными репеллерами, применяется оно наиболее широко. На многих фермах с его помощью качают воду, если по какой-либо причине нет сетевого электричества. Типичная форма такого колеса с лопастями из листового металла приведена на рис. 1. Ветроколеса барабанного и крыльчатого типа вращаются на горизонтальном валу, так что их необходимо поворачивать на ветер, чтобы получить наилучшие эксплуатационные характеристики. Для этого им придается руль направления лопасть, расположенная в вертикальной плоскости, чем и обеспечивается разворот ветроколеса на ветер. Диаметр колеса крупнейшего в мире ветродвигателя крыльчатого типа составляет 53 м, максимальная ширина его лопасти равна 4,9 м. Ветроколесо напрямую соединено с электрическим генератором мощностью 1000 кВт, которая развивается при скорости ветра не менее 48 км/ч. Его лопасти регулируются таким образом, что скорость вращения ветроколеса остается постоянной и равной 30 об/мин в диапазоне скоростей ветра от 24 до 112 км/ч. Благодаря тому, что в местности, где располагают такие ветродвигатели, ветры дуют довольно часто, ветроэнергетическая установка обычно вырабатывает ~50% максимальной мощности и питает общественную электросеть. Крыльчатые ветродвигатели широко применяются в отдаленных сельских районах для обеспечения электроэнергией ферм, в том числе для зарядки аккумуляторов систем радиосвязи. Их также используют в бортовых энергетических установках самолетов и управляемых ракет.

S-образный ротор.

Установленный на вертикальном валу S-образный ротор (рис. 2) хорош тем, что ветродвигатель с таким репеллером не надо выводить на ветер. Хотя крутящий момент на его валу меняется от минимального до одной трети от максимального значения за полоборота, он не зависит от направления ветра. Когда гладкий круговой цилиндр вращается, находясь под действием ветра, на тело цилиндра действует сила, перпендикулярная направлению ветра. Это явление называется эффектом Магнуса, в честь немецкого физика, который его изучал (1852). В 19201930 А.Флеттнер применил вращающиеся цилиндры (роторы Флеттнера) и S-образные роторы взамен лопастных ветроколес, а также как движители корабля, который совершил переход из Европы в Америку и обратно.

Коэффициент использования энергии ветра.

Мощность, получаемая от ветра, обычно мала менее 4 кВт развивает агрегат устаревшего типа голландской ветряной мельницы при скорости ветра 32 км/ч. Мощность потока ветра, которую можно использовать, образуется из кинетической энергии масс воздуха, проносящихся в единицу времени перпендикулярно площади заданного размера. В ветродвигателе эта площадь определяется наветренной поверхностью репеллера. При учете высоты над уровнем моря, давления воздуха на ней и его температуры располагаемая мощность N (в кВт) на единицу площади определяется уравнением

N = 0,0000446 V 3 (м/с).

Коэффициент использования энергии ветра определяется обычно как отношение мощности, развиваемой на валу ветродвигателя, к располагаемой мощности ветрового потока, воздействующего на наветренную поверхность ветроколеса. Максимальным этот коэффициент становится при определенном соотношении между скоростью внешнего края лопасти ветроколеса w и скорости ветра u ; значение этого соотношения w /u зависит от типа ветродвигателя. Коэффициент использования энергии ветра зависит от вида ветроколеса и составляет от 510% (голландская мельница с плоскими крыльями, w /u = 2,5) до 3540% (профилированный крыльчатый репеллер, 5 Ј w /u Ј 10).