ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ
Работа поверхности при действии на нее силы ветра
Скорость ветра является важнейшей характеристикой технических свойств ветра. Поток ветра с поперечным сечением F обладает кинетической энергией, определяемой выражением:
. |
(5.1) |
Масса воздуха, протекающая через поперечное сечение F со скоростью V, равна:
. |
(5.2) |
Подставив (5.2) в выражение кинетической энергии (6.3.1), получим:
, |
(5.3) |
откуда следует, что энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости.
Мощность Т определяется произведением силы Р на скорость V:
, |
(5.4) |
Одну и ту же работу можно получить либо за счёт большой силы, при малой скорости перемещения рабочей поверхности, либо, наоборот, за счёт малой силы, а, следовательно, и малой поверхности, но при соответственно увеличенной скорости её перемещения.
Допустим, мы имеем поверхность F, поставленную перпендикулярно к направлению ветра. Воздушный поток вследствие торможения его поверхностью получит подпор, и будет обтекать ее и производить давление силой Рх. Вследствие действия этой силы поверхность будет перемещаться в направлении потока с некоторой скоростью U (рис. 5.5); работа при этом будет равна произведению силы на скорость U, с которой перемещается поверхность F, т. е.:
, |
(5.5) |
где Рх - сила сопротивления, которая равна :
, |
(5.6) |
где Сх - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления;
F - поверхность миделевого сечения теля, т. е. проекции площади тела на плоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока.
В этом случае ветер набегает на поверхность с относительной скоростью, равной :
. |
(5.7) |
Подставив значение Рх из уравнения (5.6) в уравнение (5.5), получим:
. |
(5.8) |
Рисунок 5.5 – Действие силы ветра на поверхность
Определим отношение работы, развиваемой движущейся поверхностью и выраженной уравнением (5.8), к энергии ветрового потока, имеющего поперечное сечение, равное этой поверхности, а именно:
. |
(5.9) |
После преобразований получим:
. |
(5.10) |
Величину ξ называют коэффициентом использования энергии ветра.
Из уравнения (5.10) мы видим, что ξ зависит от скорости перемещения поверхности в направлении ветра. При некотором значении скорости U коэффициент £ получает максимальное значение. В самом деле, если скорость перемещения поверхности равна нулю U = 0, то работа ветра также равна нулю. Если U = V, т. е. поверхность перемещается со скоростью ветра, работа также будет равна нулю, так как нет силы сопротивления, за счёт которой совершается работа. Отсюда следует, что значение скорости U заключено в пределах между U = 0 и U = V.
Установлено, чтобы получить максимальное ξ, поверхность должна перемещаться со скоростью:
. |
(5.11) |
Максимальный коэффициент использования энергии ветра при работе поверхности силой сопротивления не может быть больше ξ = 0,192.
Наибольший коэффициент использования энергии ветра у роторных ветродвигателей системы Савониуса - 18%.