Подставляя E в m, получаем, Дж/с,
E = pv3F/2,
где р — плотность воздуха, равная для нормальных условий 1,23 кг/м3 (при t = 15 °С и р = 101,3 кПа или 760мм рт. ст.).
Таким образом, энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости. Ветроколесо может преобразовать в полезную работу только часть этой энергии, которая оценивается коэффициентом использования энергии ветра £. Для идеального крыльчатого ветроколеса максимально достижимая величина £, рассчитанная по классической теории Н.Е. Жуковского и теории Г.Х. Сабинина, равна соответственно 0,593 и 0,687. Современные ветродвигатели при работе в номинальном (расчетном) режиме преобразуют в механическую работу не более 45 — 48% кинетической энергии ветрового потока, что вызвано различными потерями и другими причинами. Кинетическая энергия, которой потенциально обладает ветровой поток, зависит от скорости ветра v, температуры воздуха t и атмосферного давления р. Удельная мощность (секундная энергия), которая заключена в потоке, имеющем поперечное сечение, равное 1 м2, при t = +15°С и p= 101,3 кПа округленно составляет:
Скорость ветра, м/с....... 4 6 8 10 14 18 22
Мощность потока, кВт/м2 ... 0,04 0,13 0,31 0,61 1,67 3,6 6,25
По отношению к этим условиям изменение температуры воздуха от + 15 до 0 °С повышает мощность потока примерно на 6%, а при t = +30 °С энергия, заключенная в потоке, наоборот, снижается на 5%. При постоянной температуре воздуха 0°С изменение атмосферного давления, например, от 103,7 до 97,3 кПа (от 770 до 730 мм рт. ст.) снижает энергию потока примерно на 6%.
§1.3ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА И РАБОТЫ ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ
Воздушный поток, как и любое движущееся тело, обладает энергией движения, или запасом кинетической энергии. Последняя с помощью ветроколеса или другого рабочего органа преобразуется в механическую энергию. В зависимости от назначения ветроустановки механическая энергия с помощью исполнительных механизмов (генератора, компрессора, электролизера и т.д.) может быть преобразована в электрическую, тепловую или механическую энергию, а также в энергию сжатого воздуха. Согласно (3.7) — (3.9) секундная кинетическая энергия Е воздушного потока с площадью поперечного сечения F, имеющего массу т, плот-яость р и скорость v, равна pFv3/2. Замечая, что F - ПR2, и сделав соответствующие подстановки, получим, Н*м/с,
Рис1.1. Карусельный ветродвигатель-шторка
Рис 1. 2. Модель карусельного ветродвигателя с поворачивающимися лопастями
1 - вертикальная ось; 2 - горизонтальные планки; 3 - поворачивающиеся лопасти; 4 -ось лопасти
Следовательно, секундная энергия, или мощность воздушного потока, пропорциональна его плотности, плошали поперечного сечения и кубу скорости.
Часть полной энергии потока, воспринятой ветроколесом, которую ветродвигатель преобразует в механическую энергию, оценивается коэффициентом использования энергии ветра
который зависит от типа ветродвигателя и режима его работы.
Секундная работа или мощность, Н-м/с, развиваемая ветроколесом, определяется по формуле
Р= pv3F
Так как плотность воздуха очень мала (в 800 раз меньше плотности воды), то для получения относительно больших мощностей приходится применять ветродвигатели со значительной поверхностью ветроколеса. Постоянные изменения скорости v приводят к тому, что мощность, развиваемая двигателем, изменяется в очень больших пределах: от нуля во время штиля до величины, в десятки раз превосходящей установленную мощность, на которую рассчитывают ветродвигатель при расчетной скорости ветра. Для преобразования кинетической энергии воздушного потока в механическую энергию могут быть использованы ветродвигатели различных типов. Первыми (примерно в XVIII в. до н.э.) появились, по-видимому в Персии и Китае, двигатели с вертикальной осью вращения, как наиболее простые. Они получили название карусельных. Чтобы получить вращающий момент на оси, лопасти, движущиеся навстречу ветру, должны быть прикрыты шторкой (рис. 4.3) или поворачиваться ребром к потоку (рис. 4.4). Для этого они укрепляются на оси с помощью шарниров и на активном участке пути (в зоне А) фиксируются в нужном положении специальными устройствами (упорами).
Рис. 1.3. Роторный ветродвигатель
Рис. 1.4. Барабанный ветродвигатель
Разновидностью двигателей карусельного типа являются роторные двигатели, у которых рабочие поверхности выполнены не плоскими, а криволинейными (рис. 4.5). Поэтому давление на них при движении по направлению действия потока и против него разное, что и обусловливает возникновение вращающего момента. Двигатели с плоскими рабочими поверхностями, вращающимися относительно горизонтальной оси, получили название барабанных (рис. 4.6).
Все перечисленные типы двигателей работают в результате наличия разности сил лобового давления, образуемых относительно оси вращения. При этом нетрудно показать, что наибольшую мощность двигатель развивает в том случае, когда рабочая плоскость, воспринимающая давление ветра, движется по направлению потока со скоростью, примерно равной 1/3 его скорости. Большинство из указанных типов двигателей имеет весьма простую конструкцию, но тем не менее они не нашли широкого распространения из-за своей тихоходности, громоздкости, малого значения коэффициента использования энергии ветра ij (в лучших условиях он не превышает 0,18), больших трудностей, возникающих при необходимости оборудования их системами автоматического регулирования развиваемой мощности и частоты вращения.
В последние годы в ряде зарубежных стран (США, Канаде, Аргентине, Великобритании и др.) большое внимание привлекли к себе ветродвигатели с вертикальной осью вращения, предложенные в 30-х годах французским изобретателем Дарье. Этот ветродвигатель (рис. 4.7) отличается тем, что его ветроприемное устройство — ротор состоит из двух-четырех изогнутых лопастей, имеющих в поперечном сечении аэродинамический профиль. Лопасти, закрепленные в точках А и Б на оси вращения, изогнуты так, что образуют пространственную конструкцию, вращающуюся под действием подъемной силы, возникающей на лопастях от ветрового потока. Это позволяет повысить величину £ до 0,3—0,32. Преимуществами такого ветродвигателя являются его меньший относительный вес на единицу мощности, чем у других типов двигателей с верти-
риc. 1.5. Ветродвигатель (ротор) системы Дарье:
1 - лопасти; 2 - вал; 3 - растяжки; 4 - опора; 5 - привод
кальной осью вращения, большая быстроходность. Кроме того, в отличие от двигателей с горизонтальной осью система Дарье не нуждается в механизме ориентации по направлению ветрового потока.
Более совершенными двигателями являются так называемые крыль-чатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения ветроколеса, рабочий момент на котором создается за счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях, которые в простейших конструкциях представляют собой плоскости. В современных агрегатах применяют лопасти, имеющие специальный аэродинамический профиль. Они появились примерно в IV—III в. до н. э. в Александрии [321.
Рис. 1.6. Принципиальная схема ветродвигателя крыльчатого типа с горизонтальной осью вращения:
/ - редуктор; 2 - генератор; 3 - вертикальный вал
Рис. 1.7. Принцип работы ветроколеса:
а - подъемная сила крыла Ру; б - план скоростей воздушного потока и сил, действующих на лопасть
Такие ветродвигатели более быстроходные, имеют меньшую относительную массу, снабжены устройствами, автоматически регулирующими развиваемую мощность, ограничивающими частоту вращения и ориентирующими ось вращения ветроколеса по направлению вектора скорости потока. Коэффициент использования энергии ветра у них примерно в 3 раза выше, чем у двигателей карусельного, роторного и барабанного типов.
В большинстве стран производят и применяют только крыльчатые ветродвигатели. Двигатели других типов изготовляют обычно кустарным путем или производят в очень небольших количествах. Поэтому в дальнейшем мы будем рассматривать только агрегаты и установки с двигателями крыльчатого типа. Основным рабочим органом такого двигателя является ветроколесо с лопастями, расположенными по радиусам и под некоторым углом tp к плоскости вращения. Число лопастей может быть различным и зависит от назначения двигателя. При обтекании воздушным потоком крыла под ним создается зона повышенного давления, а над ним, напротив, пониженного. Это обусловливает возникновение подъемной силы Pv, которая создает вращающий момент на ветроколесе
Электрические зарядные ветроагрегаты, предназначенные для зарядки аккумуляторов с целью освещения жилищ чабанов, полевых станов, юрт оленеводов, палаток и домиков различных экспедиций, а также для питания сигнальных устройств, радиоузлов, приемников и телевизоров, обычно имеют мощность 1 кВт и используются в неэлектрифицированных, удаленных от линий электропередачи и малонаселенных районах, где vv > 3,5 м/с. Агрегаты мощностью от 50 Вт до 1,5 кВт применяют также в качестве энергоустановок для питания устройств катодной защиты магистральных нефте- и' газопроводов, морских эстакад, питания автоматических метеостанций и опреснительных установок индивидуального пользования. Агрегаты снабжены аккумуляторными батареями низкого напряжения (6—24 В), которые работают в буферном режиме.
Агрегат АВЭУ-2 (прежняя марка — АВЭС-0,1) имеет следующие узлы (рис. 5.26): ветроколесо 1 диаметром 2 м, головка 2, хвост 3, стойка 4 и электрический щиток с аккумуляторной батареей. Стойка головки прикреплена к опорному столбу 5 и растяжками 6, на котором укреплен рычаг ручного управления, с помощью которого, тормозя вал генератора, останавливают агрегат.
Ветроколесо имеет две металлические лопасти, поворачивающиеся в подшипниках втулки, закрепленной- на валу генератора. Центробежный регулятор работает по такому же принципу, как 'и агрегат «Беркут». В зависимости от скорости ветра и величины нагрузки частота вращения изменяется в диапазоне от 300 до 800 об/мин.
На стойке, несущей ферму с хвостовым оперением, закреплен генератор с возбуждением от постоянных магнитов. В нем расположены трехфазная неподвижная статорная обмотка и ротор в виде восьмиполюсного постоянного магнита. Они размещены в корпусе из алюминиевого сплава. В зависимости от способа соединения обмоток генератор вырабатывает ток напряжением 26 или 15 В.
Генератор соединен с электрическим щитком трехжильным кабелем, пропущенным сквозь трубу стойки, которая может поворачиваться в
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9
