ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ И ВТОРИЧНЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

Работа ветрового колеса крыльчатого ветродвигателя

Крыльчатые ветроколеса работают за счет косого удара при движении лопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра в противоположность к прямому удару, рассмотренному в предыдущем случае. Устройство такого колеса показано на рис. 5.6.

На горизонтальном валу закреплены крылья, число которых у современных ветродвигателей бывает от 2 и больше. Крыло ветроколеса состоит из маха а и лопасти б, закрепляемой на махе так, что она образует с плоско­стью вращения некоторый угол φ. Этот угол называют углом заклинения ло­пасти (рис. 5.5). При этом на ее элементы набегает воздушный поток с от­носительной скоростью W под углом ά, который называют углом атаки, и действует с силой R. Углы φ и ά в значительной мере определяют эффективность крыльев. Силу R раскладывают на силы Рх и Ру (рис. 5.7,а). Силы Рх производят давление в направлении ветра, которое называется лобо­вым давлением. Силы Ру действуют в плоскости у-у вращения ветроколеса и создают крутящий момент.

Максимальные силы, приводящие колесо во вращение, получаются при некотором значении угла атаки ά, т. е. угла наклона относительного потока к поверхности лопасти. Ввиду того что окружная скоростью длине крыла неодинакова, а возрастает по мере удаления его элементов от оси вращения ветроколеса, относительная скорость W набегания потока на лопасть также возрастает.

Рисунок 5.6 – Конструктивная схема крыльчатого ветроколеса

Рисунок 5.7 - Схема действия сил воздушного потока на элемент лопасти (а) и графическое изображение относительного потока, набегающего на элементы лопасти, расположенные на разных радиусах ветроколеса (б)

Вместе с этим убывает угол атаки ά, и при некоторой окружной скорости wR, где w угловая скорость, этот угол станет отрицательным (рис. 5.7, б). Следовательно, не все элементы крыла будут иметь максимальную подъемную силу.

Если мы будем уменьшать угол φ каждого элемента лопасти по мере удаления его от оси вращения так, чтобы наивыгоднейший угол атаки ά примерно сохранялся постоянным, то мы получим условие, при котором приблизительно все элементы лопасти будут работать со своей максималь­ной подъемной силой. Лопасть с переменным углом заклинения со получает форму винтовой поверхности.

Правильные углы заклинения лопасти при хорошем аэродинамическом качестве профиля, а также ширине, соответствующей заданной быстроходности, обеспечивают высокий коэффициент использования энергии ветра. У хорошо выполненных моделей он достигает 46%.

В большинстве современных ветровых турбин с помощью специальных устройств (центробеж­ных, гидравлических и других) обеспечивается возможность поворота всей лопасти или отдельной ее части, изменения за счет этого угла атаки и регу­лирования мощности на валу по заданному закону. При скорости ветра меньше номинальной лопасть разворачивается таким образом, чтобы угол атаки был оптимальным и коэффициент использования ветра максимальным. При скорости ветра больше номинальной разворотом лопасти добиваются уменьшения коэффициента использования энергии ветра до значения, при котором мощность на валу соответствует номинальной. На рис. 5.8 на приме­ре ветровой турбины номинальной мощностью 2 МВт показана зависимость мощности и коэффи­циента мощности (коэффициента использования энергии ветра) от скорости ветра.

Угол атаки g, определяющий коэффициент мощности zp зависит от скорости ветра W и частoты вращения ротора w. В силу этого, коэффициент мощности удобно выражать с помощью параметра, учитывающего W и w. Таким параметром являет­ся коэффициент быстроходности

Ветровые турбины различных типов имеют су­щественно отличающиеся зависимости коэффици­ента использования энергии ветра от коэффициента быстроходности (рис.5.7).

1 — идеальный ротор пропеллерного типа; 2 — двух­лопастный скоростной ротор; 3 — ротор Дарье; 4 — ротор Савониуса; 5 — многолопастный ротор

Рисунок 5.8 - Кривые зависимости коэффициента использования энергии ветра от коэффициента быстроходности

1 - лопасть; 2 - система разворота лопасти; 3- втулка; 4- дисковый тормоз; 5- мультипликатор; 6- гидромуфта; 7 - генератор; 8 - механизм системы поворота; 9 - тормоз системы поворота; 10- датчик системы поворота

Рисунок 5.9 - Основные узлы ветроэнергетической

установки с горизонтальной осью вращения

Пример компоновки основных узлов ветро­энергетической установки с горизонтальной ост вращения показан на рис. 5.9.

Недостатками ВЭУ являются непостоянство вырабатываемой электроэнергии, что создает опре­деленные проблемы при их работе на сеть и необ­ходимость использования аккумуляторов при работе в автономном режиме, а также более высока», чем на традиционных электростанциях, стоимость 1 кВт установленной удельной мощности и мень­шее число часов ее использования.

Однако эти не­достатки перекрываются такими качествами ВЭУ как отсутствие топливной составляющей, неисчер­паемость первичного источника энергии, низка» стоимость вырабатываемой электроэнергии, возможность полной автоматизации, исклю­чающей необходимость в обслуживающем персо­нале, возможность энергообеспечения автономных объектов, удаленных от электросетей, модульное исполнение, позволяющее наращивать установлен­ную мощность по мере необходимости.