Миф N1. Вертикальный ветрогенератор лучше работает на слабом ветру

Реальный диапазон начала выработки электроэнергии 3-4м/с, при этом ветре уже вращаются все горизонтальные винты и тут можно сравнить что лучше на таком слабом ветру 3-4м/с. Вертикальный ветряк с ротором размером 1.5*1.5м и ометаемой площадью ротора 3кв.м на ветру 3,5м/с даст энергии (0.6*3*3,5*3,5*3,5*0,2=15,485) 15 ватт энергии, из этой энергии надо еще вычесть КПД редуктора и генератора, и того можно рассчитывать на 6-10ватт, это ток зарядки 12-ти вольтового аккумулятора всего 0,3-0,7 Ампер.

Для вертикального ветряка типа «бочка» я беру КИЭВ 0,2, подробнее о принципах выработки энергии горизонтальных вертикальных ветрогенераторов здесь Принципы работы вертикальных и горизонтальных ветрогенераторов
Так-же о методах расчетов ветроколес здесь Расчет мощности ветроколеса

Теперь сравним горизонтальный ветряк с ометаемой площадью винта 3кв.м. Вы сразу скажете что сравнение не корректно так как площадь ротора вертикального ветряка и площадь лопастей горизонтального существенно различаются и площадь лопастей значительно меньше, а значит и мощность, но вы заблуждаетесь. КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра ) зависит не от площади лопастей, а от аэродинамических характеристик.

Пока ротор вертикального ветряка будет делать один оборот вокруг своей оси под давлением ветра, пропеллер сделает за это время 5-10 оборотов в зависимости от быстроходности. Тем самым лопасти отработают с большим количеством ветра и возьмут больше энергии. Вертикальный типа бочка не может иметь скорость вращения больше скорости ветра, а пропеллер может, причем если быстроходность Z5, то он под нагрузкой вращается со скоростью в 5 раз больше скорости ветра за счет подъемной силы, без нагрузки быстроходность может доходить до Z10 и более. А у вертикалки максимальная скорость вращения относительно скорости ветра Z1, а под нагрузкой обычно Z0.5.

Горизонтальный пропеллер за счет использования подъемной силы имеет больший КПД, правильные лопасти имеют КИЭВ до 0.47, но мы будем брать средний КИЭВ 0.3. Тогда с 3кв.м площади на ветру 3,5м/с энергии будет (0,6*3*3,5*3,5*3,5*0,3=23.1525) 23 ватта. И так-как нет редуктора то учтем только КПД генератора около 0.8 и получим 18ватт, то-есть в два раза больше чем с вертикального ветряка той-же площади. Но если еще учесть что вертикалки ставят внизу или на небольшой высоте, а горизонтальные как можно выше над землей, то разница будет еще больше так-как внизу ветер слабее и с завихрениями, а на верху более стабильный.

>

То-есть получается что людей просто обманывают говоря что вертикальные ветрогенераторы более эффективны на малом ветру. А оказывается они не только не лучше, но еще и хуже. Есть еще роторы Дарье, они более скоростные и больше КИЭВ, но у них проблемы со стартом на слабом ветру и не равномерная тяга, и их расчет очень сложен. Дарье еще может сравняться по КПД с пропеллером, но там другие «болячки».

Миф N2. Многие упорно утверждают что шума от вертикалок нет, а пропеллеры очень шумные

Миф N3. Говорят что вертикальный ветряк проще и дешевле

Вы скажете что три лопасти сложнее так-как надо знать как их делать. Да, чтобы КИЭВ был высоким лопасти надо рассчитывать, благо для этого все есть, даже готовые программы, остается только нанести размеры на трубу, вырезать и обработать кромки лопасти. Но и ротор вертикального ветряка тоже надо рассчитывать по мощности и оборотам к генератору, иначе результат будет совсем плачевный.

Вы скажете что для горизонтального ветряка нужна мачта, а вертикалки обычно внизу ставят и не надо ни каких растяжек. Ну так ставьте пропеллер внизу на коротеньком каркасе, и будет такая-же слабая выработка пропеллера как и вертикалки. Любой ветряк надо поднимать на высоту или мирится со слабым ветром у земли и делать с запасом мощности.

Если же брать примерно одинаковые условия, скажем ветряк поднимается на Высоту 10 метров. То горизонтальному не нужна мощная мачта так-как при сильном ветре ветряк обычно тормозится контроллером чтобы не пошел «в разнос» от перебора мощности, или он просто останавливается методом КЗ обмоток генератора, а остановленный винт имеет небольшую парусность и переживет любой ураган. А вот вертикалку поднятую на ветер, от ветра не спрячешь, ударные нагрузки из-за перехода лопастей из под ветра на ветер начнут раскачивать мачту, и тут нужно все делать с большим запасом прочности, иначе ротор такой парусности на урагане просто сдует, так как ветер валит даже рекламные щиты и срывает крышы.

Еще не забываем про редуктор, который как правило неотъемлемая часть вертикального ротора, это тоже затратная часть, которая еще и КПД отнимает. Можно и без редуктора, тогда придется делать низко-оборотный генератор, который по размерам и цене будет раз в пять больше. Если посчитать, то вертиклка будет в пять раз дороже по цене и труднее в изготовлении. Так почему говорят что вертикальный ветрогенератор сделать проще и дешевле? Может они себе представляют вертикальный ветряк как простую бочку на шпильке, а трехлопастной ветрогенератор такой сложной конструкцией на мачте с растяжками, контроллером и пр. Так и для вертикалки по нормальному нужна мачта, контроллер, + редуктор на генераторе, сварка пространственной рамы, подшипники на валу и почее.

Миф N4. Говорят что вертикалки не дают низкочастотных вибраций, от которых убегают все крысы и мыши и пр. а горизонтальные вредят окружающей среде своими вибрациями

Вывод:

vse-pro-stroyku.sqicolombia.net

Типы ветродвигателей. Новые конструкции и технические решения 

Ветроэнергетика поражает многообразием и необычным дизайном конструкций ветрогенераторов. Существующие конструкции ветрогенераторов, а также предлагаемые проекты ставят ветроэнергетику вне конкуренции по оригинальности технических решений по сравнению со всеми остальными мини-энергокомплексами, работающими с использованием ВИЭ. 

В настоящее время существует множество различных концептуальных конструкций ветрогенераторов, которые по типу ветроколес (роторов, турбин, винтов) можно разделить на два основных вида. Это ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) и с вертикальной (карусельные, так называемые Н-образные турбины).

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения

Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения. В ветряках с горизонтальной осью вращения роторный вал и генератор располагаются наверху, при этом система должна быть направлена на ветер. Малые ветряки направляются с помощью флюгерных систем, в то время как на больших (промышленных) установках есть датчики ветра и сервоприводы, которые поворачивают ось вращения на ветер. Большинство промышленных ветрогенераторов оснащены коробками передач, которые позволяют системе подстраиваться под текущую скорость ветра. В силу того, что мачта создает турбулентные потоки после себя, ветроколесо обычно ориентируется по направлению против воздушного потока. Лопасти ветроколеса делают достаточно прочными, чтобы предотвратить их соприкосновение с мачтой от сильных порывов ветра. Для ветряков такого типа не нужны установки дополнительных механизмов ориентации по ветру.

Ветроколесо с горизонтальной осью

Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей: от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой закреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветрогенераторов для этой цели применяются хвостовые оперения, а у больших ориентацией управляет электроника.

Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, которые стоят на лопастях или вращаются вместе с ними, и др. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, либо вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.

В настоящее время высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от 60 до 90 м. Ветроколесо совершает 10-20 поворотов в минуту. В некоторых системах есть подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой возможной автоматической остановки на случай слишком сильных ветров.

Основные достоинства горизонтальной оси следующие: изменяемый шаг лопаток турбины, позволяющий по максимуму использовать энергию ветра в зависимости от атмосферных условий; высокая мачта позволяет «добираться» до более сильных ветров; высокая эффективность благодаря направлению ветроколеса перпендикулярно ветру.

В то же время горизонтальная ось имеет ряд недостатков. Среди них — высокие мачты высотой до 90 м и длинные лопасти, которые трудно транспортировать, массивность мачты, необходимость направления оси на ветер и т.д.

Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения. Основным преимуществом такой системы является отсутствие необходимости направления оси на ветер, так как ВЭУ использует ветер, поступающий с любого направления. Кроме того, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения. Особенно эффективны такие установки в областях с переменным ветром. Верти-кально-осевые турбины работают при низких скоростях ветра и любых его направлениях без ориентации на ветер, но имеют малый КПД.

Автором идеи создания турбины с вертикальной осью вращения (Н-образной турбины) является французский инженер Джордж Джин Мари Дариус (Жан Мари Дарье). Этот тип ветрогенератора был запатентован в 1931 г. В отличие от турбин с горизонтальной осью вращения Н-образные турбины «захватывают» ветер при изменении его направления без изменения положения самого ротора. Поэтому ветрогенераторы такого типа не имеют «хвоста» и внешне напоминают бочку. Ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух — четырех изогнутых лопастей.

Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается под действием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,300,35. В последнее время проводятся разработки роторного двигателя Дарье с прямыми лопастями. Сейчас ветрогенератор Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветрогенераторов крыльчатого типа.

Установка имеет довольно высокую эффективность, но при этом образуются серьезные нагрузки на мачту. Система также обладает большим стартовым моментом, который с трудом может быть создан ветром. Чаще всего это производится внешним воздействием.

Ротор савониуса

Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса, созданный финским инженером Сигуртом Савониусом в 1922 г. Вращающий момент возникает при обтекании ротора потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора. Колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра — всего 0,1-0,15.

Главное преимущество вертикальных ветрогенераторов в том, что они не нуждаются в механизме ориентации на ветер. У них генератор и другие механизмы размещаются на незначительной высоте возле основания. Все это существенно упрощает конструкцию. Рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание. Невысокая минимальная рабочая скорость ветра (2-2,5 м/с) производит меньше шума.

Однако серьезным недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора, циклично повторяющееся при работе. Из-за потерь на вращение против потока воздуха большинство ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти вдвое менее эффективны, чем с горизонтальной осью.

Поиск новых решений в ветроэнергетике продолжается, и уже есть оригинальные изобретения, например турбопарус. Ветрогенератор монтируется в виде длинной вертикальной трубы в 100 м высотой, в которой из-за температурного градиента между концами трубы возникает мощный воздушный поток. Сам электрогенератор вместе с турбиной предлагается установить в трубе, в результате чего поток воздуха обеспечит вращение турбины. Как показывает практика эксплуатации таких ветрогенераторов, после раскрутки турбины и специального подогрева воздуха у нижнего края трубы даже при тихом ветре (и штиле) в трубе устанавливается сильный и стабильный поток воздуха. Это делает такие ветроустановки перспективными, но только в безлюдных местностях (при работе такая установка засасывает в трубу не только мелкие предметы, но и крупных животных). Данные установки окружают специальной защитной сеткой, а систему управления располагают на достаточном расстоянии.

Турбопарус

Специалисты работают над созданием специального устройства для уплотнения ветра — диффузора (уплотнителя энергии ветра). За год ветродвигатель этого типа успевает «поймать» в 4-5 раз больше энергии, чем обычный. Высокая скорость вращения ветроколеса достигается с помощью диффузора. В узкой его части воздушный поток особенно стремителен, даже при сравнительно слабом ветре.

Ветрогенератор с дифузором

Как известно, скорость ветра с высотой увеличивается, что создает более благоприятные условия для использования ветрогенераторов. Воздушные змеи были изобретены в Китае примерно 2 300 лет назад. Идея использования змея для подъема ветрогенератора на высоту постепенно находит реализацию.

Летающий ветрогенератор

Швейцарские конструкторы из компании Етра представили новую конструкцию надувных воздушных змеев, которые смогут поднимать до 100 кг при массе самого крыла 2,5 кг. Их можно использовать для установки на морских судах и подъема на большую высоту (до 4 км) ветряных турбин. В 2008 г. подобная система прошла испытания при плавании контейнеровоза Beluga SkySails из Германии в Венесуэлу (экономия топлива составила свыше 1 000 долл./сутки).

Beluga SkySails

Например, в Гамбурге компанией Beluga Shipping такая система установлена на дизельном сухогрузе Beluga SkySails. Воздушный змей в виде параплана размером 160 м2 поднимается в воздух на высоту до 300 м за счет подъемной силы ветра. Параплан разделен на отсеки, в которые по команде компьютера по эластичным трубкам подается сжатый воздух. Компания Beluga SkySails к 2013 г. собирается оснастить такой системой около 400 грузовых судов.

Ветроголовки «Ветролов»

Интересное решение имеет конструкция ветроголовки «Ветролов». Вращающийся корпус генератора выполнен достаточно длинным (около 0,5 м), в средней части (на промежутке от фланца генератора до лопастей) — механизм складывания лопастей. По принципу действия он похож на механизм раскрывания автоматического зонта, а лопасти напоминают крыло дельтаплана. Для того чтобы лопасти не упирались друг в друга во время складывания, оси их закрепления несколько смещены. Четыре лопасти (через одну) идут вовнутрь, а четыре — снаружи. После складывания площадь лобового сопротивления ветряка уменьшается почти в четыре раза, а коэффициент аэродинамического сопротивления — почти в два.

В верхней части опоры ветряка устанавливается «коромысло» с вертикальной осью вращения. На одном его конце расположен ветрогенератор, на другом — противовес. При слабом ветре ветрогенератор посредством противовеса поднят выше верхней отметки опоры и ось ветряка при этом горизонтальна. При усилении ветра давление на ветроколесо растет и оно начинает опускаться, поворачиваясь вокруг горизонтальной оси. Таким образом работает еще одна система «ухода» от сильного ветра. Конструкция позволяет наращивать коромысла так, что ветрогенераторы устанавливаются друг за другом. Получается своеобразная гирлянда из одинаковых модулей, которые при слабом ветре стоят один выше другого, а при сильном уходят вниз, «прячась» в «ветровую тень» ветроколеса. Здесь также заложена способность системы адаптироваться к внешней нагрузке.

Ветрогенератор Eolic

Конструкторы Маркос Мадиа, Серджио Оаши и Хуан Мануэль Пантано разработали портативный ветрогенератор Eolic. Для изготовления устройства использовались только алюминий и волокно из углеродных материалов. В собранном виде турбина Eolic имеет длину около 170 см. Для приведения Eolic из сложенного в рабочее состояние потребуется 2-3 человека и займет этот процесс 15-20 мин. Данный ветрогенератор может складываться для переноски.

Дизайнерский ветрогенератор Revolution Air

Сегодня есть много дизайнерских проектов и разработок. Так, французский дизайнер Филипп Старк создал ветрогенератор Revolution Air. Проект дизайнерского ветряка носит название «Демократичная экология».

Ветрогенератор Energy Ball 

Международная группа дизайнеров и инженеров Home-energy представила свой продукт — ветрогенератор Energy Ball. Главной особенностью новинки является компоновка на нем лопастей по типу сферы. Все они соединены с ротором обоими концами. Когда ветер проходит сквозь них, он дует параллельно ротору, что увеличивает КПД генератора. Energy Ball может работать даже при очень низкой скорости ветра и производит гораздо меньше шума, чем обычные ветряки.

Ветрогенератор Третьякова

Уникальную ветроустановку создали конструкторы из Самары. При использовании в городской среде она дешевле, экономичнее и мощнее европейских аналогов. Ветрогенератор Третьякова представляет собой воздухозаборник, который улавливает даже относительно слабые воздушные потоки. Новинка начинает вырабатывать полезную энергию уже при скорости 1,4 м/с. Кроме того, не нужен дорогостоящий монтаж: установку можно ставить на здание, мачту, мост и т. д. Она имеет высоту 1 м и длину 1,4 м. КПД постоянный — около 52 %. Мощность промышленного аппарата — 5 кВт. На расстоянии 2 м шум от ветростанции составляет менее 20 Дб (для сравнения: шум вентилятора — от 30 до 50 Дб).

Windtronics

Американская компания Wind Tronics из Мичигана разработала компактную ветровую установку для применения в частных домохозяйствах. Разработчиком технологии является Wind Tronics, а производственный гигант Honeywell наладил изготовление ветровых установок. Дизайн предусматривает нулевой ущерб окружающей среде.

В этой установке используется турбинная безредукторная крыльчатка Blade Tip Power System (BTPS), что позволяет ветрогенератору работать в гораздо более широком диапазоне скоростей ветра, а также снизить механическое сопротивление и вес турбины. Wind Tronics начинает вращаться при скорости ветра всего 0,45 м/с и работоспособна до скорости 20,1 м/с! Расчеты показывают, что такая турбина генерирует электроэнергию в среднем на 50 % чаще и дольше, чем традиционные ветрогенераторы. Кстати, автоматика с постоянно подключенным к ней анемометром следит за скоростью и направлением ветра. При достижении максимальной рабочей скорости турбина просто поворачивается к ветру обтекаемым боком. Автоматика системы немедленно реагирует на переохлажденный дождь, способный вызвать обледенение. Технология уже запатентована более чем в 120 странах.

Интерес к малым ветровым турбинам растет во всем мире. Многие из компаний, работающих над решением этой проблемы, вполне преуспели в создании собственных оригинальных решений.

Optiwind 300

Компания Optiwind выпускает оригинальные ветровые установки Optiwind 300 (300 кВт, стоимость — 75 тыс. евро) и Optiwind 150 (150 кВт, стоимость — 35 тыс. евро). Они предназначены для коллективной экономии энергии в поселках и фермерских хозяйствах (рис. 12). Основная идея — сбор энергии ветра наборными конструкциями из нескольких турбин на приличной высоте. Optiwind 300 комплектуется 61-метровой башней, платформа акселератора имеет 13 м в диаметре, а диаметр каждой турбины составляет 6,5 м.

GEDAYC

Необычный вид имеет конструкция турбины GEDAYC (рис. 13). Малый вес позволяет турбине эффективно вращать электрогенератор при скорости ветра 6 м/с. Новая конструкция лопастей использует принцип, подобный «системе» воздушного змея. Турбины GEDAYC уже установлены на трех ветрогенераторах мощностью 500 кВт, снабжающих энергией горные выработки. Установка турбин GEDAYC и их опытная эксплуатация показали, что благодаря новой конструкции турбины легче, удобнее в транспортировке и проще в обслуживании.

Honeywell 

Компанией Earth Tronics разработан новый тип «домашних» ветряных турбин Honeywell. Система позволяет вырабатывать электроэнергию на кончиках лопастей, а не на оси (как известно, скорость вращения концов лопастей гораздо выше скорости вращения оси). Таким образом, турбина Honeywell не использует редуктор и генератор, как в обычных ветрогенераторах, что упрощает конструк-цию, уменьшает ее вес и порог скорости ветра, при котором ветрогенератор начинает производить электроэнергию.

В Китае создан опытный проект ветрогенератора с магнитной левитацией. Магнитная подвеска позволила снизить стартовую скорость ветра до 1,5 м/с и соответственно на 20 % повысить суммарную отдачу генератора в течение года, что должно снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии.

Maglev Turbine 

Компания Maglev Wind Turbine Technologies из Аризоны намерена производить ветровые турбины с вертикальной осью Maglev Turbine максимальной мощностью 1 ГВт. Экзотическая модель ветровой турбины выглядит как высотное здание, но по отношению к своей мощности она небольшая. Одна турбина Maglev может обеспечить энергией 750 тыс. домов и занимает площадь (вместе с зоной отчуждения) около 40 га. Придумал эту турбину изобретатель Эд Мазур, основатель компании MWTT. Maglev Turbine плавает на магнитной подушке. Главные компоненты новой установки находятся на уровне земли, их проще обслуживать. В теории новая турбина нормально работает как при крайне слабом ветре, так и при очень сильном (свыше 40 м/с). Компания намерена открыть научные и образовательные центры поблизости от своих турбин.

При изучении творческого наследия гениального русского инженера Владимира Шухова (1853-1939 гг.) специалисты ООО «Инбитек-ТИ» обратили внимание на его идеи использования стальных стержневых гиперболоидов в архитектуре и строительстве.

Ветровая турбина гиперболоидного типа

Потенциал подобных конструкций сегодня до конца не изучен и не исследован. Известно также, что Шухов называл свои работы с гиперболоидами «исследованиями». На основе его идей появилась разработка ветрогенераторов роторного типа абсолютно новой конструкции. Подобная конструкция позволит получать электроэнергию даже при очень малых скоростях ветрового потока. Для запуска из состояния покоя необходима скорость ветра 1,4 м/с. Это достигнуто за счет использования эффекта левитации ротора ветрогенратора. Ветрогенератор подобного типа способен начать работу даже в восходящих потоках воздуха, что имеет место, как правило, рядом с рекой, озером, болотом.

Mobile Wind Turbine

Еще один любопытный проект — ветрогенератор Mobile Wind Turbine — разработали дизайнеры студии Pope Design (рис. 17) [10]. Это мобильный ветрогенератор, расположенный на базе грузовой машины. Для управления Mobile Wind Turbine нужен лишь оператор-водитель. Этот ветрогенератор можно будет использовать в зонах стихийных бедствий, во время ликвидации последствий ЧП и при восстановлении инфраструктуры.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Современное состояние ветроэнергетики, предлагаемые конструкции и технические решения ветрогенераторов и «уплотнителей ветра» позволяют создавать мини-ветроэлектростанции для частного использования практически повсеместно. Порог скорости «трогания» ветрогенератора значительно снижен благодаря техническим разработкам, массогабаритные показатели ВЭУ также уменьшаются. Это позволяет эксплуатировать ветроэнергетические установки в «домашних» условиях.

Светлана КОНСТАНТИНОВА, кандидат технических наук, доцент БНТУ

источник

Случайные статьи

ec.cfuv.ru

21. Понятие быстроходности ветроколеса.

Ветроколесо может быть быстроходным или тихоходным, представляет отношение скорости движения конца лопасти к скорости ветрового потока(зависит также от диаметра ветроколеса и количества лопастей, оборотов). Этот показатель называется быстроходностью ветроколеса. Конец лопасти обычно движется в плоскости ветроколеса со скоростью, которая в несколько раз выше скорости ветра.

Z = L * W / 60 / V W –частота вращения ветроколеса (об/мин.) V — скорость ветра (м/с.) L — длина окружности ( м.) Z — быстроходность ветроколеса.

Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости наиболее удаленной от оси вращения ветродвигателя точки крыла (определяемое радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра(z=wR/v), которое принято обозначать символом U . Быстроходность по определению является величиной безразмерной. Считается, что ветродвигатель тихоходный, если U < 2, и быстроходный, если  4.

22. Характеристики быстроходных и тихоходных ветроколёс с горизонтальной осью.

Ветряные электрогенераторы с 2-3 лопастями считаются быстро-ходными и имеют более высокий КПД и частоту вращения, но при этом низкий стартовый момент ротора. Потому быстроходные ВГ выгодно использовать с электрическим генератором, поскольку электрический генератор имеет высокую частоту вращения (для уменьшения массогабаритных характеристик) и низкий момент запуска. Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости наиболее удаленной от оси вращения ветродвигателя точки крыла (определяемое радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра(z=wR/v), которое принято обозначать символом U . Быстроходность по определению является величиной безразмерной. Считается, что ветродвигатель тихоходный, если U < 2, и быстроходный, если  4.

Тихоходные ВГ обычно комплектуются с водяными насосами, которые имеют большой момент запуска и меньшую частоту вращения. Несмотря на высокую стоимость, большее распространение получили быстроходные 3-х лопастные ВГ, чем 2-х лопастные. 3-х лопастной ротор генерирует меньше вибраций и выглядит более эстетично. Тихоходные ветроколеса с количеством лопастей не менее шести.

Чем больше число лопастей, их ширина и угол заклинивания тем ниже быстроходность ветроколеса.

Мощность ветроколеса, при прочих равных условиях, мало зависит от числа лопастей, их положения в потоке воздуха и диаметра ветроколеса.

23. Понятие коэффициента использования энергии ветра.

По классической теории Н.Е. Жуковского для идеального ветроколеса коэффициент использования энергии ветра ξ = 0,593. То есть идеальное ветроколесо (с бесконечным числом лопастей) может извлечь 59,3% энергии, проходящей через его поперечное сечение. Реально на практике у лучших быстроходных колес максимальное значение коэффициента использования энергии ветра доходит до 0,45 – 0,48, а у тихоходных – до 0,36 – 0,38. Под коэффициент использования энергии ветра понимается отношение механической мощности, развиваемой ветродвигателем, к механической мощности воздушного потока, протекающего через пространство, ометаемое рабочими поверхностями (крыльями или лопастями) этого ветродвигателя.

Для парусных ветроустановок теоретич. коэф. использования не может превышать 0,192. Для щелевого ротора Савониуса коэф. доходит до 0,3; для ротора Дарье 0,35-0,4.

studfile.net

3. Расчет размерных параметров ветроколеса.

3.1.   Исходные данные расчета размерных параметров.

Исходными данными для расчета размерных параметров являются:

— номинальная мощность – N = 4000 Вт

— КПД электрический

— КПД механический

— плотность воздуха кг/м³

— среднегодовая скорость ветра м/с

— скорость ветра при порыве м/с

— заданный коэффициент быстроходности в рабочей точке

— а также полученный в разделе 1.9. коэффициент  в рабочей точке 1

Схематическое изображение линейчатой лопасти

3.2.   Размерные параметры ветроколеса.

Поскольку, то есть , то вычисляем:

Наружный диаметр ветроколеса:

Радиус ветроколеса:

Внутренний диаметр ветроколеса

Радиус расположения сечения лопасти

Относительный шаг между сечениями

Расстояние между сечениями лопасти (шаг)

Хорда сечения

Найденные и предоставленные в таблице 2.2. значения  должны быть скорректированы. В связи с тем, что полученная величина очень велика, а общепринятым значением является  получим значения  для всех промежуточных сечений, считая как и раньше  меняется по линейному закону от .

Безразмерные величины хорды в зависимости от номера сечения лопасти даны в таблицах

Номер сечения	1 (корень)	2	3 (середина)	4	5 (периферия)
	0,22	0,18	0,14	0,11	0,07

Размерная хорда при

Номер сечения	1 (корень)	2	3 (середина)	4	5 (периферия)
	629,716	519,823	412,930	306,037	199,144

Толщина профиля

Толщина профиля k-го сечения . Для  определенного при  и  для пяти сечений результат в таблице.

Относительная толщина построения по корневому и периферийному сечениям

Номер сечения	1 (корень)	2	3 (середина)	4	5 (периферия)
	0,2	0,190	0,176	0,151	0,1

Уточнение относительной толщины профиля

,

Тогда для остальных сечений

Относительная толщина, построенная по среднему и периферийному сечениям и вспомогательный множитель  

Номер сечения	1 (корень)	2	3 (середина)	4	5 (периферия)
	-1	-0,5	0	0,5	1
	0,179	0,171	0,160	0,140	0,100

Из таблицы видно, что величина   задана в среднем сечении, что обеспечивает профиль 16% толщины в этом сечении.

Размерные величины представлены в таблице:

Номер сечения	1 (корень)	2	3 (середина)	4	5 (периферия)
	112,2232356	89,14603	66,068821	42,99161	19,91441

Из таблицы видно, что размерные величины толщин профилей, в отличие от безразмерных в долях хорды, ведут себя как линейная функция по длине лопасти.

Координаты профилей.

Для профиля типа «эсперо» координаты верхней и нижней дуг приведены в таблице:

Номер точки
1	0	41,7	41,7
2	5,162	53,8	27,9
3	1	60,6	22,9
4	5	69,4	16,6
5	10	82,2	11,1
6	20	96	5,5
7	30	100,6	2,3
8	35,2	100,533	1,133
9	40	100	0
10	50	94,5	0
11	60	83,2	0
12	70	69,4	0
13	80	51	0
14	90	30,7	0
15	97,5	11,6	0
16	100	2,3	0

С помощью пересчета для размерных хорд  и толщин  получаем таблицы размерных координат профилей.

Для  (среднее сечение) –

Для  (среднее сечение) –

 Координаты профиля третьего (среднего) сечения лопасти

Координаты профиля пятого (периферийного) сечения лопасти

Координаты центра совмещения профилей.

Для третьего среднего сечения

Аналогично для остальных сечений

Углы установки среднего и периферийного сечений

Принимаем для среднего и периферийного сечения углы установки такие же, какие были получены по классической методике.

Определяем координаты одиннадцатой и тринадцатой точек корытца профиля для среднего и периферийного сечений.

Для одиннадцатой точки корытца среднего сечения:

Для тринадцатой точки корытца среднего сечения:

Для одиннадцатой точки периферийного сечения:

Для тринадцатой точки периферийного сечения:

Для одиннадцатой точки корневого сечения:

Для тринадцатой точки корневого сечения:

Находим угол установки корневого сечения:

Для второго и четвертого сечения расчет ведется аналогично, данные запишем в таблицу.

Координаты точек корытца повернутых профилей:

Номер сечения	1 (корень)	2	3 (середина)	4	5 (периферия)

Углы установки профилей:

Номер сечения	1 (корень)	2	3 (середина)	4	5 (периферия)
	10,954	10,261	9,207	7,413	3,692

График углов установки профилей линейчатой лопасти (от относительного расстояния сечения лопасти от корневого сечения):

studfile.net

Мощность ветроколеса

Р = С_р*Р_о (8.13.)

где Р_о — мощность набегающего ветрового потока;

С_р – часть этой мощности, передаваемая ветроколесу, равная:

С_р = 4*а*(1 – а)²

Максимального значения С_р достигает при а = 1/3 С_рмакс = 0,59 – критерий

Бетца. Этот критерий справедлив для любой установки, обтекаемой жидкостью или газом.

Рис. 8.4. Зависимость коэффициента мощности С_р от коэффициента торможения потока (а).

8.4. Лобовое давление на ветроколесо

Рис. 8.5. Лобовое давление на ветроколесо:

u_o – скорость ветрового потока; р – давление; z – высота; F_A – осевая нагрузка; Δр – перепад давлений.

Максимальная нагрузка, действующая на ветроколесо, равна:

F_Aмакс = ρ*А₁*u_o²/2 (8.14.)

В горизонтально – осевых установках эта сила действует по оси колеса и называется лобовым давлением. Силу, действующую на конкретное ветроколесо, можно представить в виде:

F_A = C_F*ρ*A₁*u_o²/2 (8.15.)

где С_F – коэффициент лобового давления, зависящий от параметров колеса.

С_F = 4a*(1 – a) (8.16.)

При С_рмакс = 0,59, С_Fмакс = 89%.

Максимальное значение КПД ВЭУ – 89%.

Как правило, ветроколёса не выдерживают нагрузок ветра при скорости выше 20м/с. Поэтому принимают ряд мер: поворот лопастей в нерабочее положение, уменьшение снимаемой мощности, самоторможение, принудительную остановку ветроколеса.

8.5.Крутящий момент.

Максимальный крутящий момент ветроколеса Ц не может превышать значения произведения максимальной действующей на ветроколесо силы на максимальный его радиус Г.

Ц_макс = F_макс *Г (8.17.)

или Ц_макс = ρ*А₁*u_o²Г/2 (8.18.)

или Ц = С_ц*Т_макс, (8.19.)

где С_ц – коэффициент крутящего момента.

Параметр Z – быстроходность ветроколеса, равная отношению окружной скорости конца лопастей u_г к скорости набегающего потока u_o. т.е.

Z = u_r/u_o = Rω/u_o (8.20.)

где ω – угловая скорость вращения ветроколеса.

Тогда Ц_макс = Р_о*Z/ω,

где Р_о – мощность ветрового потока.

Мощность на валу ветроколеса

Р = Ц*ω (8.21.)

С_р*Р_о = С_ц*Ц_макс*ω = С_ц*Р_о*Z; С_р = Z*С_ц; (8.22.)

В идеальном случае имеем: (С_ц)_макс = 0,59/Z (8.23.)

Максимальная эффективность работы ветроколеса

Z = 2π/n*(Г/d), (8.24.)

где n – число лопастей;

d — характерная длина возмущённой лопастью области.

Оптимальная быстроходность ветроколеса:

Z_o ≈(2π/k*n), (8.25.)

где – к ≈ 1. В практике к = ½, поэтому для n – лопастного ветроколеса оптимальная быстроходность: Z_o ≈4π/n

Быстроходность ветроколеса является самым важным параметром, зависящим от трёх основных переменных: радиуса ометаемой ветроколесом окружности, его угловой скорости вращения и скорости ветра. Как безразмерная величина он является основным параметром подобия при конструировании ветроэлектрогенераторов. Коэффицинет мощности С_р зависит от коэффицинета торможения в диапазоне 0< а <0,5

С_р = 4а*(1- а)², (8.26)

где а = 1 –u₁ /u_o (8.27)

1. а < 0, С_р отрицателен. Это режим работы авиационного пропеллера.

2. 0 < а < 0,5, С_р в этом диапазоне достигает максимума.

3.При отсутствии нагрузки а = 0; u₁ = u_o; С_р = 0.

4. При 0,5 < а < 1, С_р постоянно уменьшается.

5. С_р максимум при .а = 1/3.

studfile.net

Расчет лопастей для ветряков – … народные ветряки!

Лопасти ротора ветротурбины получают мощность от ветра, замедляя его. Они оказывают сопротивление ветру, и ветер налегает на них с той же силой.

Тела в воздушном потоке создают силу, напрвленную против вектора скорости, называемую лобовым сопротивлением.

Сила напора использовалась в самых ранних ветряках. Легко представить себе, как эта сила заставляет двигаться щиты, но такие ветряки очень тихоходны и лопасти, которые перемещаются против ветра, противодействуют вращению. В аэродинамике сила напора правильно называется силой по скорости полета. Силу напора часто называют силой лобового сопротивления. Пользуясь этим термином, не надо забывать, что сила лобового сопротивления на самом деле направлена в другую сторону, против ветра.

Напор – сила ветра, направленная по направлению потока. Но есть и другая сила, называемая ‘подъемной силой’ которая всегда направлена под прямым углом к направлению ветра.

Лопасти ветряка с горизонтальной осью не могут двигаться по направлению ветра, таким образом они не могут получить никакой пользы от силы напора. Вместо этого они используют подъемную силу.

При расчете лопасти необходимо определить ширину хорды и угол установки лопасти β в нескольких сеченях по длине лопасти. В каждом сечении необходимо определить правлиьную форму лопасти, чтобы получить лучшее усилие (подъемную силу) от каждой порции ветра, с которой это сечение будет иметь дело.

Процесс вычисления наилучшей нагрузки и соответствующей ей наилучшего профиля, известный как метод конечных элементов. рассматривает лопасть, как совокупность отдельных элементов.

Элекент лопасти находящийся на расстоянии r от центра работает в узком кольце из всей ометаемой области и производит работу по замедлению своей порции воздуха с максимумом эффективности в соответствии с критерием Бетца.

Площадь кольца ометамемая ветром

2πrΔr

Его окружная скорость будет (r/R)ZV, где Z – выбранная нами быстроходность.

Скорость набегания потока, которую лопасть ‘ощущает’, будем называть истинным ветром. Она определяется скоростью (величиной и направлением) встречи лопасти с молекулами воздуха.

Окружную скорость лопасти необходимо прибавить к скорости ветра, чтобы получить скорость набегания потока, истинный ветер, создающей подъемную силу.Окружная скорость обуславливает силу действую на лопасть в плоскости вращения.

Сила напора направлена против движения лопасти.

Подъемная сила помогает движению лопасти.

Обе силы воздействуют на лопасть и, в свою очредь, сами замедляют ветер.

>

Вычисление подъемной силы и силы напора

Подъемная сила

Сила напора

Где:

ρ – плотность воздуха 1,29кг/м³ При 0^oC на уровне моря.

S – площадь лопасти м²,

V – скорость набегания потока м/с.

Подъемная сила и сила лобового сопротивления зависят от коэффициентов подъемной силы с_y и коэффициента лобового сопротивления c_x, которые в свою очередь зависят от примененного в лопасти профиля и угла атаки α, под которым поток ударяет в лопасть.

Мы больше привыкли к графикам воздушных сил, которые здесь повсюду.

Линия хорды самая длинная линия в сечении профиля, соединяющая носок и заднюю кромку.

Угол атаки α – это угол между вектором набегания потока и хордой лопасти.

Вы не можете вычислить коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления. Они измерены экспериментально в аэродинамических трубах и занесены в атласы профилей.

Вот типичный график коэффициента подъемной силы с_y , в зависимости от угла атаки α.

При увеличении угла атаки подъемная сила тоже увеличивается, пока не достигнет точки срыва потока.

Поток воздуха отрывается от поверхности профиля в задней части крыла.

Подъемная сила падает, а сила лобового сопротивления быстро увеличивается.

Большинство плоских тел дадут подобный вид графика с_y(α). Но изогнутые профили дадут большее отношение с_y/c_x.

При проектировании ротора воздушной турбины угол α будет зависеть от угла истинного ветра ψ, и, следовательно, угла установки лопасти β.

Таким образом при изменении α, мы управляем подъемной силой и силой лобового сопротивления лопасти.

Мы должны оптимизировать подъемную силу, но лопасть не будет работать хорошо, если сила лобового сопротивления не минимизирована.

Для каждого профиля необходимо определить такой угол атаки для которого отношение Cy/Cx, называемое в аэродинамике аэродинамическим качеством, наивысшее.

Нахождение точного значения оптимального угла α может быть запутанным процессом, потому что подъемная сила и сила лобового сопротивления зависят от сечения и от числа Рейнольдса (зависящего в свою очередь от размера хорды и скорости лопасти).

ЧИСЛО РЕЙНОЛЬДСА = 68 500 х ДЛИНА ХОРДЫ (м) х ИСТИННАЯ СКОРОСТЬ (м/с)

Если b = 0,07 м и Z = 5 и V = 5 м/ c, то истинная скорость равна 25 м/с и Re = 120  000

Слева два графика профиля NACA 4412 снятых для разных чисел Рейнольдса.

Левый график показывает зависимость Cy(α).

Правый график показывает зависимость Cy( Cx).

Тангенс угла наклона прямой, проведенной через начало координат равен аэродинамическому качеству (отношению Cy/Cx).

Если провести касательную к кривой, соответствующей какому-либо числу Рейнольдса, то эта касательная покажет максимально возможное аэродинамическое качество для данного Re.

Для NACA 4412 эта точка касания соответствует Cy приблизительно равным 1 и α равным 6.

Заметьте, что низкие числа Re приводят к малым значениям Cy и низкому аэродинамическому качеству, что объясняет проблемы для пропеллеров с узкими лопастями при слабых ветрах.

Существуют другие профили ( ClarkY и K2), которые лучше работают при низких числах рейнольдса.

Практически все профили имеют наивысшее аэродинамическое качество при угле атаки равном 5 градусам. Если характеристики профиля неизвестны мы можем полагать, что угол установки можно вычислить как

β = ψ – 5

ПОЛЯРЫ ПОЛУЧЕННЫЕ В АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ

Для вычисления угла установки В мы должны знать угол набегания потока, под которым истинный ветер набегает на плоскость ветроколеса.

ВЫЧИСЛЕНИЕ УТОЧНЕННОГО УГЛА УСТАНОВКИ ЛОПАСТИ β

поскольку

Итак угол установки

Где α равно примерно 5

Следующуя страница будет еще богаче на полезные формулы.

Закончив с вычислениями β, мы должны вычислить ширину лопасти. Будем рассуждать так:

Каждый элемент лопасти взаимодействует с определенным кольцом ветра.

Поскольку радиус у центра становится меньше, то и площадь кольца становится меньше. Поэтому внешние части лопасти производят больше энергии. Центральные части лопасти менее важны и отличаются по форме от концевых частей лопасти.

Скорость ветра после ветроколеса замедляется до 1/3 по сравнению с первоначальной. Это замедление происходит от воздействия осевой силы, которая тесно связана с подъемной силой.

ПРЕНЕБРЕГАЯ СИЛОЙ ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ (ввиду малости ошибки)

ОСЕВАЯ СИЛА = ПОДЪЕМНАЯ СИЛА cos(ψ)

ПО БЕТЦУ ОСЕВАЯ СИЛА

=

КАК МЫ ЗНАЕМ, ПОДЪЕМНАЯ СИЛА

=C_y(ρ/2)ibΔr(ИСТИННАЯ СКОРОСТЬ)²

=C_y(ρ/2)ibΔr(ZV(r/R)/cos(ψ))²

Это дает грубую формулу для ширины хорды b , которая создаст осевую силу, соответствующую условию Бетца.

Если i – число лопастей, Cy – коэффициент подъемной силы, b – ширина хорды в сечении r и V – скорость ветра, то произведение ibΔr равно суммарной площади лопасти производящую подъемную силу в этом кольце.

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ

ДЛЯ ПРОСТОТЫ МЫ ПРЕДПОЛОЖИЛИ, ЧТО Cy И COS(ψ) ОБА ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО = 1

ЭТО УРАВНЕНИЕ РАБОТАЕТ ЛУШЕ ВСЕГО ДЛЯ ВНЕШНИХ ЧАСТЕЙ ЛОПАСТИ

ВЫВОДЫ:

РАЗМЕР b УВЕЛИЧИВАЕТСЯ ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО РАДИУСУ r

т.е. форма лопасти должна быть треугольной в плане

b ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО ЧИСЛУ ЛОПАСТЕЙ i

т.е. малолопастной пропеллер будет иметь широкие лопасти

b ОБРАТНО ПРОПОРЦИОНАЛЬНО КВАДРАТУ БЫСТРОХОДНОСТИ

т.е. удвоение скорости вызывает уменьшение ширины лопастей в 4 раза

Возвратимся к расчету лопастей.

1. Выберем диаметр ротора, для получения необходимой мощности

2. Выбираем быстроходность Z. Вы вольны идти по пути проб и ошибок. Я предлагаю, чтобы Вы выбрали быстроходность между 5 и 8.

Быстроходность определяет обороты ветряка. ОБОРОТЫ = 60 ZV/πD об/мин

3. Решаем, какое количество лопастей будет на ветряке. i = 3 является наилучшим вариантом.

Или попытайтесь вычислить i = 80/Z²

4. Ширина хорды на конце лопасти будет: b = 4 D/ Z²i

Например, если D = 2м, Z = 7 и i = 2, тогда b = 4х2/49х2 = 0,08 м (или 8 см). Концевая часть является самой важной, но внутренняя часть должна быть сделана шире, чтобы создавать большой стартовый вращающий момент.

5. Чтобы найти лучший угол установки лопастей пользуйтесь этим графиком.

ЭТО ИДЕАЛЬНЫЙ УГОЛ ДЛЯ ТОЧКИ А, ЛЕЖАЩЕЙ БЛИЗКО К КОНЧИКУ ЛОПАСТИ

НА ПРАКТИКЕ МНОГО ВЕТРЯКОВ ПОСТРОЕНЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕКРУЧЕНЫХ ЛОПАСТЕЙ С НЕИЗМЕННОЙ ШИРИНОЙ ПО РАДИУСУ И ПОСТОЯННЫМ УГЛОМ УСТАНОВКИ. КАК НИ УДИВИТЕЛЬНО, НО ТАКОЕ УПРОЩЕНИЕ МАЛО СКАЗЫВАЕТСЯ НА ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕТРЯКА

ОДНАКО ЕСТЬ СЕРЪЕЗНЫЕ ОСНОВАНИЯ, ЧТОБЫ ДЕЛАТЬ ЛОПАСТЬ СУЖАЮЩЕЙСЯ К КОНЧИКУ И ДЕЛАТЬ КРУТКУ ЛОПАСТИ:

1. ЛУЧШЕ СТАРТ

2. МАССИВНЕЕ И КРЕПЧЕ СТУПИЦА

Факторы, влияющие на КИЭВ (коэффициент использования энергии ветра)

(Куда теряется энергия?)

1 причина – поток, который огибает ветряк. Бетц выяснил, что максимальный КИЭВ, который мы можем получить, 0,593 из мощности ветрового потока. Чтобы получить такую мощность мы должны затормозить поток до 1/3 первоначальной скорости.

3 причина – вследствии того, что мы не можем везде поспеть. В ветряках с небольшим количеством лопастей выше нагрузки, и ветер предпочитает пройти мимо кончиков лопастей. Это известно, как концевые потери.

2 причина – потеря мощности во вращающемся цилиндре отходящего воздуха. Глауэрт выяснил, что потери на вращение отходящего воздуха будут наибольшими у тихоходных ветряков.

ДВИЖУЩАЯ ОКРУЖНАЯ СИЛА= Ysin(ф)(1 – (3 r/2 R) Z/ K) где K = Y/ X – аэродинмическое качество

ТАКИМ ОБРАЗОМ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ КАЧЕСТВО ДОЛЖНО БЫТЬ БОЛЬШЕ, ЕСЛИ НУЖНО ПОЛУЧИТЬ БОЛЬШУЮ БЫСТРОХОДНОСТЬ. СИЛА ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНЯ БЕРЕТ БОЛЬШУЮ ПОШЛИНУ

4 причина – падение движущей окружной силы, которая зависит от аэродинамического качества. Это сильнее сказывается для быстроходных пропеллеров, где вектор подъемной силы отклоняется больше всего от направления движения лопасти.

Какой же вариант ветряка наилучший?

По графику видно, что быстроходность около 5 является оптимальной, а количество лопастей должно быть максимально возможно.

Трудность с большим количеством лопастей в том, что они должны быть очень узкие или быть очень тихоходными (или оба условия вместе), чтобы удовлетворить условию Бетца.

Совершенный ротор ветротурбины имеет бесконечное количество бесконечно узких лопастей.

Клаус Ниброе из Windmission создал ротор типа «windflower», следуя этой логике.

Из-за низкого числа Рейнольдса применяемые профиля должны быть тщательно выбраны и быть очень узкими. Чтобы достичь прочности и жесткости на кручение, для этого требуются первоклассные композитные материалы и большое профессиональное мастерство.

Здесь показан 12-лопастной ветряк « WINDFLOWER » спроектированный с быстроходностью 3,6. Возможно это наиболее эффективная форма ротора.

На практике этот подход редко используется, потому что такой ветряк слишком тихоходен. 3-х лопастной ветряк, работающий на большей быстроходности, работает лучше, несмотря на потери.

Вот менее честолюбивая форма лопасти.

ЕСЛИ ШИРИНА КОНЧИКА b = (7/100)R, ТО

i = 80/Z²

ЭТО ПРАВИЛО ГОДИТСЯ ТОЛЬКО ДЛЯ ИЗОБРАЖЕННОЙ ЛОПАСТИ С ХОРДОЙ НА КОНЧИКЕ РАВНОЙ 3,5% ОТ ДИАМЕТРА ПРОПЕЛЛЕРА.

Как только Вы выбрали форму лопасти в плане, количество лопастей будут продиктованы быстроходностью Z.

Высокоскоростные ветряки (за и против)

График справа показывает скорости и мощности воздушных винтов с быстроходностью 5 при ветре в 5 м/с

На этом графике мощность рассчитана из условия КИЭВ 0,25 и потерь в целом равным 40%, которые являются достижимыми для маленьких ветряков.

(Потери складываются из потерь на трение, потерь в железе, меди, в выпрямителе)

Выбор размера ветряка (диаметра) в зависимости от требуемой мощности.

СТАРТОВЫЙ ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ МОЖЕТ БЫТЬ ОЦЕНЕН ПО ФОРМУЛЕ

НАПРИМЕР ВЕТРЯК 2 М ДИАМЕТРОМ С БЫСТРОХОДНОСТЬЮ Z = 5 БУДЕТ ИМЕТЬ ПРИ 4 М/С СТАРТОВЫЙ ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ

N. B. ЭТО ОЧЕНЬ ПРИБЛИЖЕННАЯ ФОРМУЛА

Выбо быстроходности Z зависит от многих факторов.

Высокая быстроходность приводит к высокой частоте вращения вала, необходимой для эффективного производства электроэнергии и перевешиват эти неудобства:

1. Шум лопастей выше

2. Вибрация в случае 2-лопастного или 1-лопастного ветряка.

3. Кромки лопастей при высоких скоростях эррозируют.

4. Снижение эффективности ротора из-за роста лобового сопротивления и концевых потерь.

5. Трудности при старте

КОНЧИКИ ЛОПАСТЕЙ, ДВИЖУЩИХСЯ СО СКОРОСТЬЮ СВЫШЕ 80 М/С СИЛЬНО ПОДВЕРЖЕНЫ ЭРРОЗИИ, ВЫЗВАННОЙ МЕЛКИМИ ЧАСТИЦАМИ ДВИЖУЩИМСЯ С ВЕТРОМ. ЭТИ ПОВРЕЖДЕНИЯ МОЖНО СУЩЕСТВЕННО УМЕНЬШИТЬ ИСПОЛЬЗУЯ СПЕЦИАЛЬНЫЕ ПОКРЫТИЯ.

РОТОР 5 М В ДИАМЕТРЕ С БЫСТРОХОДНОСТЬЮ 7 НА 12 М/С БУДЕТ ДЕЛАТЬ 350 ОБ/МИН И БУДЕТ ПОДВЕРЖЕН ЭРРОЗИИ.

ЭФФЕКТ СУЩЕСТВЕННО УВЕЛИЧИВАЕТСЯ С УВЕЛИЧЕНИЕМ СКОРОСТИ

Hugh Piggott http://www.scoraigwind.co.uk/

Перевод Розин М.Н.

11 марта 2007г.

Поделиться ссылкой:

Похожее

vetronet.com

преимущества, разработки и отличия от вертикальных ветряных генераторов

Ветроэнергетика за последнее время значительно усилила свои позиции среди прочих направлений отрасли. Ее доля в общем количестве выработанной энергии постоянно возрастает, уже есть целые государства, использующие ветроэнергетические установки как базовые устройства для производства электричества.

Нынешние ветроэнергетические станции пока не в состоянии тягаться с гидроэлектростанциями, но для большинства стран, активно развивающих ветроэнергетику, такой способ получения энергии является единственным. Поэтому перспективы у этого направления вполне обнадеживающие. Мало того, даже в энергоизбыточных странах, список которых возглавляет Россия, интерес к ветроэнергетике возрастает с каждым годом.

Исследования и разработки

Проблемы с энергообеспечением, особенно актуальные для стран с ровным рельефом и отсутствием возможности построить ГЭС, требуют иных способов решения.

Использование дизельных или бензиновых электростанций невыгодно из-за постоянного удорожания углеводородов и значительного ущерба, который наносится окружающей природе при использовании этого способа производства энергии. При этом, ветроэнергетика использует абсолютно бесплатную и неиссякаемую энергию, не нанося вреда окружающей среде и не изменяя рельеф поверхности, как это приходится делать при создании ГЭС.

Перемещение воздушных потоков имеет высокий энергетический потенциал и должно использоваться для производства электротока. В регионах, не имеющих возможностей для применения других способов, производятся интенсивные исследования и разработки в этой области, уже имеющие свои результаты в виде крупных ветроэнергетических станций (ВЭС). Они состоят из отдельных ветрогенераторов, обладающих большой мощностью и объединенных в единую энергосистему.

Размеры каждого агрегата впечатляют — они имеют более 100 м высоты и размах лопастей от 120 м. Мощность достигает 9 МВт, с каждым годом создаются все более крупные модели. Для прибрежных стран такой вариант является выгодным, а нередко — единственным.

Кроме того, широко ведутся разработки небольших ветрогенераторов, дающих возможность обеспечивать электроэнергией частный дом, усадьбу или отдельную группу потребителей. Использование такого комплекта позволяет самостоятельно обеспечивать свои потребности, не зависеть от поставщиков энергии, а зачастую еще и немного заработать на этом, поставляя излишки энергии в сеть.

Виды ветрогенераторов

Из ныне существующих конструкций ветрогенераторов принято выделять две основные группы:

Соответственно, ось вращения установок первой группы расположена вертикально, а у второй группы она находится в горизонтальной плоскости. Этот принцип разделения отражает наиболее существенную разницу между типами ветряков, имеющими своеобразные признаки, особенности и условия эксплуатации.

По уровню эффективности однозначно лидируют горизонтальные устройства, так как они получают полную энергию потока, приходящуюся на площадь лопастей. Ограничение их количества — вынужденная мера, вызванная необходимостью снижать фронтальную нагрузку на мачту. При больших размерах ветряка давление на крыльчатку, оборудованную большим числом лопастей, превысит допустимые пределы и мачта попросту переломится. Поэтому на крупных промышленных турбинах устанавливают лишь по 3 лопасти.

Кроме того, для горизонтальных устройств является критичным параметром возможность наведения на ветер. Поскольку над земной поверхностью направление воздушных потоков отличается нестабильностью, то ось вращения должна иметь возможность постоянной быстрой корректировки. При этом, для больших устройств эта возможность сильно ограничена, так как они устанавливаются в местах с преобладанием одного направления ветра.

Вертикальные роторы не нуждаются в наведении, поскольку для них направление ветра не имеет значения. При этом, существуют конструкции, нуждающиеся в этой функции. У таких устройств имеется защитный кожух, отсекающий поток, воздействующий на обратные стороны лопастей и создающий противодействующее усилие. Наведение производится путем установки хвостового стабилизатора, представляющего собой вертикальную пластину, расположенную ребром к потоку. Изменение ветра тут же вызывает поворот хвоста, автоматически устанавливающий кожух в нужное положение.

Вертикальные конструкции обладают большим числом видов ротора. Они используются для относительно мелких ВЭУ, способных питать ограниченное количество потребителей.

Большинство самодельных ветрогенераторов имеют вертикальную конструкцию, так как они могут быть установлены на небольшом возвышении и допускают более удобное обслуживание и ремонт. Кроме того, расходы на создание таких устройств намного ниже.

Конструктивные схемы

Все конструкции ветряков созданы на основе нескольких базовых схем. Они основаны на специфике расположения оси вращения или на использовании дополнительных элементов, усиливающих эффективность приема ветровой энергии. Примечательно, что различия существуют только в механической части комплекса, вся электроника совершенно одинакова и соответствует только мощности генератора независимо от типа конструкции турбины.

Для горизонтальных конструкций относительно небольших размеров характерно использование диффузоров — своеобразных воронок, конусообразных приспособлений, улавливающих поток, уплотняющих его и направляющих на лопасти. В результате достигается большая скорость вращения, возрастает выработка энергии при неизменных скоростях ветра. Эта схема используется при эксплуатации летающих ВЭУ (генератор-крыло). Они имеют обширный надувной диффузор, дающий большую площадь захвата потока, уплотняющегося в несколько раз.

Вертикальные конструкции имеют разные варианты конфигурации лопастей. Так, широко известны:

Сколько всего имеется разработок на сегодняшний день подсчитать сложно, так как разработкой занимаются как профессиональные, так и самодеятельные конструкторы. Причем, наиболее удачные результаты достигаются, как правило, именно независимыми изобретателями. Основной упор делается на достижение максимальной производительности и чувствительности ротора, стабильности вращения и устойчивости к перегрузкам.

Ветрогенераторы: вертикальные против горизонтальных

Споры о превосходстве горизонтальных конструкций над вертикальными (или наоборот) ведутся с первых дней использования ВЭУ для выработки электроэнергии. Аргументами сторон являются, в основном, вопросы эксплуатации, эффективности и мощности устройств. При этом, однозначного определения наилучшего варианта так и не найдено.

Каждое устройство имеет свои достоинства и недостатки, оценить которые можно только при достаточно плотном использовании. На практике каждый владелец ветряка имеет опыт работы с каким-либо одним типом, поэтому необходимой корректности мнений достичь не удается.

Горизонтальные конструкции обладают более высокой эффективностью. Это утверждение не совсем соответствует действительности, потому что оно имеет расчетное происхождение, где рассматривались старые модели роторов (конструкция Савониуса), тестировавшиеся в определенных условиях.

С развитием ветроэнергетики и появлением множества новых, более удачных конструкций, соотношение КПД горизонтальных и вертикальных устройств практически сравнялось. Кроме того, оба вида понемногу поделили между собой нишу — горизонтальные установки преимущественно используются для выработки энергии в промышленных объемах, тогда как вертикальные ВЭУ чаще всего работают на небольших участках и производят небольшое количество электротока.

На сегодняшний день создалась ситуация, при которой вертикальные устройства чаще используются для самостоятельного изготовления, обеспечивают энергией отдельные дома или участки.

Горизонтальные конструкции преимущественно служат для промышленного производства энергии в региональных масштабах.

Конструкции с вертикальной осью вращения

Вертикальные устройства имеют важное преимущество: они не нуждаются в установке на ветер. Это значительно упрощает конструкцию, снижает количество подвижных узлов, что повышает надежность ветряка и продлевает срок службы. Кроме того, для этих устройств не существенно, стабильно направление потока, или нет, поэтому они не нуждаются в установке на высокие опорные конструкции.

Единственная цель разработок, активно ведущихся в области усовершенствования вертикальных ветряков, состоит в увеличении чувствительности конструкции к слабым и неустойчивым ветрам.

Усилие, приложенное потоком ветра к лопастям вертикальных ветряков, имеет более удачный вектор приложения, но в значительной степени компенсируется противодействующим усилием, приложенным к обратным сторонам лопастей.

Установка отсекающих колпаков снижает противодействие, но значительно усиливает фронтальную ветровую нагрузку на конструкцию. Эти причины ограничивают размеры установок и, соответственно, мощность. При этом, для небольших потребителей в пределах частного дома или усадьбы, вертикальные устройства являются оптимальным выбором.

Ветряные генераторы с горизонтальной осью вращения

Горизонтальные ветряки имеют меньше вариантов конструкции, так как принято считать, что они устроены достаточно удачно. При этом, большинство из таких устройств нуждается в наличии двух точек вращения — крыльчатка и узел поворота для установки на ветер. Это усложняет конструкцию, выдвигает к ней повышенные требования по прочности, устойчивости к нагрузкам. Ветряки нуждаются в периодическом обслуживании, что непросто, учитывая высоту подъема над землей.

Конструкция

Промышленные образцы, вырабатывающие большие объемы энергии, в большинстве имеют одинаковую конструкцию, состоящую из высокой мачты, крыльчатки, оборудованной тремя продолговатыми лопастями и комплекта сопутствующей аппаратуры. Установки меньшей мощности устроены подобным образом, но, в дополнение к перечисленному, имеют узел поворота вокруг своей оси и хвостовой стабилизатор, позволяющий автоматически ориентировать крыльчатку по ветру.

Кроме перечисленных узлов горизонтальные ветряки часто оборудуются устройствами защиты от сильного ветра. Шквальные порывы создают скачки напряжения, выводят из строя крыльчатку. Для экстренного торможения используются устройства, отводящие ось крыльчатки от направления ветра при резком увеличении скорости ветра.

Крупные промышленные установки, работающие в составе ВЭС и снабжающие энергией большое количество потребителей, имеют весьма крупные размеры и массу. Это служит аргументом для противников ветроэнергетики, утверждающих, что ВЭУ создают сильную вибрацию, шумят, мерцающая тень приводит к различным психическим расстройствам. В целом, эти особенности имеются, но их наличие не способно вызвать сколько-нибудь серьезные последствия для людей или животных.

Особенности эксплуатации

Работа горизонтальных ветрогенераторов совершается только при наличии ветра, способного заставить лопасти крутиться с определенной скоростью. Когда параметры потока не достигают минимальных значений, устройство бездействует, а питание потребителей производится от аккумуляторных батарей, которые отдают накопленный заряд через инвертор.

Обслуживание и ремонт установок является необходимостью, периодически возникающей при появлении признаков затруднения вращения, падения производительности или иных видимых неполадок. Для обеспечения возможности качественного и быстрого производства работ надо заранее продумать технику демонтажа мачты и опускания механизма вниз на удобную ремонтную площадку.

В обязательном порядке надо оборудовать устройство молниеотводом и создать качественный заземляющий контур. Эти позиции необходимо учитывать в первую очередь тем, кто самостоятельно изготавливает свои ветрогенераторы, чтобы защитить конструкцию и потребители от поражения молнией.

Рекомендуемые товары

energo.house