Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Основы ветроэнергетики

Преобразование энергии ветра вертикально-осевыми ветродвигатель

Ветроустановки вертикально-осевого типа, в которых ось вращения ротора перпендикулярна вектору скорости набегающего потока, распространены значительно меньше, чем горизонтально-осевые ветроустановки. Ветродвигатели вертикально-осевых ветроустановок по принципу действия условно можно разделить на две группы.

К первой группе относятся ветродвигатели, вращение которых возникает вследствие различия сопротивления лопастей при их движении по ветру и против ветра. Такими ветродвигателей является ротор Савониуса, ротор с экраном или шарнирно закрепленными лопастями (ветродвигатели карусельного типа). Ветродвигатели, использующих различные опоры лопастей, является тихоходными, оптимальная скорость конца лопасти составляет примерно 1/3 скорости ветра, они обычно низкий коэффициент использования энергии ветра. Использование таких ветродвигателей не лишено ряда серьезных недостатков, применение, например, для получения электроэнергии, требует тяжелого механического и электрического оборудования для ветроустановки.

К второй группе ветродвигателей с вертикальной осью вращения относятся различные роторы типа Дарье (с прямыми, наклонными и согнутыми лопастями), а также ветродвигатели с периодически изменяемым углом установки лопастей. Вращающий момент, на таком роторе создают аэродинамические силы, возникающие при обтекании воздушным потоком крыльевых профиля.

Ветродвигатели этого типа имеют высокую быстроходность (лопасти движутся в 2-4 раза быстрее ветра), что является существенным преимуществом при использовании ВЭУ для выработки электроэнергии. Имеют низкое значение коэффициента затенения (<0,3) и достаточно высокий коэффициент использования энергии ветра. Как отмечалось ранее, существенным недостатком является то, что на невращающемся роторе Дарье момент трогания практически равна нулю, что требует наличия специальных систем запуска.

В то же время конкурировать с лучшими на сегодня горизонтально осевыми роторами могут только роторы Дарье. Они сравнительно просты по конструкции, не требуют дополнительных механизмов ориентации на ветер и ограничения мощности, развиваемой при скоростях, превышающих расчетные. Кроме того, при использовании таких ВЭУ для работы в энергосистемах проще решается задача создания машин мегаваттного класса.

Аэродинамика ветродвигателей карусельного типа

Определим, какую часть энергии ветрового потока может превратить в полезную работу поверхность, поставлена ​​перпендикулярно направлению ветра. На первый взгляд кажется, что такое положение поверхности по отношению к ветру является выгодным, так как при этом условии давление на поверхности достигает максимального значения. Однако следует учесть, что кроме силы давления, есть еще и скорость перемещения этой поверхности под действием силы ветрового потока. На самом деле, мощность обусловливается произведением силы на скорость. Отсюда следует, что одну и ту же работу можно получить либо за счет большой силы, но при малой скорости перемещения рабочей поверхности, или, наоборот, за счет малой силы и, следовательно, малой поверхности, но при соответствии с увеличенной скорости ее перемещения.

Допустим, есть поверхность А, перпендикулярной направлению ветра. Под действием силы F x она будет перемещаться (передвигаться) в его направлении с некоторой скоростью и (рис. 3.10).

Схема действия силы ветрового потока иа поверхность размещена перпендикулярно его направлению

Рисунок 3.10 - Схема действия силы ветрового потока иа поверхность размещена перпендикулярно его направлению

Мощность силы будет равен

(3.29)

где сила

(3.30)

Ветер набегает на поверхность с относительной скоростью, равной

(3.31)

(3.32)

Это и есть работа ветра за 1 с на поверхности, перемещается силой сопротивления, или мощность, развиваемая поверхностью, что движется. Определим максимальный коэффициент использования энергии ветра:

После преобразования получим

(3.33)

Из уравнения (3.33) видно, что эта величина зависит от скорости перемещения поверхности в направлении ветра.

Уравнение (3.33) запишем в виде

(3.34)

Исследовав уравнения (3.34) на экстремум, получим, что максимальное значение получается, когда скорость перемещения поверхности составляет 1/3 скорости ветра, то есть когда . Коефициен для поверхностей, поставленных перпендикулярно потоку ветра, составляет около 0,65. Итак

то есть максимальный коэффициент использования энергии ветра при работе поверхности силой сопротивления не может быть больше 0,192.

На практике этот коэффициент меньше. Благодаря тому, что рабочие лопасти ротора перемещаются в направлении воздушного потока, ветровая нагрузка действует не сразу на все лопасти, а по очереди.

Вращающиеся лопасти по направлению ветра, испытывают давление, равное

(3.35)

где

Лопасти противоположной стороны ротора испытывают сопротивление движению, равна

(3.36)

если эти лопасти прикрыть ширмой, и, если они идут ребром к ветру, равна

(3.37)

где - боковая поверхность сопротивления ребер; - Коэффициент силы сопротивления ребер.

Суммирования моментов, действующих в направлении вращения ротора, и сил сопротивления, действующих в обратную сторону, дает в результате незначительный эффект. Таким образом, коэффициент использования энергии ветра является очень низким и при самых благоприятных условиях не превышает 0,1.

Вращения ротора в направлении ветра является причиной другого негативного фактора - тихохидности. Результат экспериментальных исследований показывает, что быстроходность карусельных ветродвигателей не превышает 0,5.

Аэродинамика ветродвигателя системы Савониуса

В ветродвигателей системы Савониуса, хотя ротор вращается в горизонтальной плоскости, протекания потока через обмахувану поверхность, происходит совершенно иначе, чем у карусельных ветродвигателей.

Поток ветра, направляясь, как показано на рис. 3.11, скользит по выпуклой поверхности А и действует в полную силу F на согнутую поверхность В, огибает ее, создавая тем самым дополнительную силу F, вращающий ротор. Сопротивлений, которые имеют место в карусельных ветродвигателей, в данном случае нет.

Схема движения воздушного потока в роторе Савониуса

Рисунок 3.11 - Схема движения воздушного потока в роторе Савониуса

поэтому коэффициент использования энергии ветра c г. ротора Савониуса примерно в два раза выше, чем у карусельных ветродвигателей.

Ротор Савониуса пригоден для небольших мощностей (менее 0,7 кВт в одном агрегате при скорости ветра 8 м / с).

Аэродинамика ветродвигателя с прямыми профилированными лопастями

Одной из существенных особенностей работы лопастей вертикально осевого ротора с прямыми профилированными лопастями в воздушном потоке (рис. 3.12) является непрерывное изменение углов атаки, величины и направления действующих на лопасти аэродинамических сил по всей трассе кругового движения.

Схема вертикально-осевого ротора с профилированными лопастями

Рисунок 3.12 - Схема вертикально-осевого ротора с профилированными лопастями

Характер изменения углов атаки лопасти при ее движении по круговой траектории удобно проанализировать с использованием треугольников скоростей. Будем считать углом установки лопасти угол φ между хордой лопасти и касательной к окружности радиуса R ротора, принимая его положительным при повороте носика профиля внутрь круга (рис. 3.13).

Относительную скорость натекания воздушной среды на лопасть определим как

а угол атаки

где - скорость ветрового потока, натекает на лопасть; - Частота вращения ротора; - Угол между векторами и .

Схема круговой трассы ротора

Рисунок 3.13 - Схема круговой трассы ротора

При нулевом угле установки лопасти угол атаки азимутальный угол определяет положение лопасти на трассе кругового движения в конкретный момент времени. Угол атаки на наветренной стороне меняется при азимутальном угле до значения при , достигает своего максимально положительного значения во второй четверти при азимутальных углах, то есть в секторе размаха с центральным углом .

На наветренной стороне ( ) отрицательный угол атаки меняется в тех же пределах, что и на наветренной стороне, достигая в третьей четверти ( ) своего наибольшего (по модулю) значение на азимутальных углах

то есть в секторе такого же размаха с центральным углом .

Практически с учетом торможения ветрового потока при взаимодействии с ротором и для реальных быстроходности указанные сектора сузятся, причем в большей степени для подветренной стороны, однако останутся в указанных четвертях. Чем выше быстроходность ротора, тем уже диапазон рабочих углов атаки, стабильные картина обтекания лопастей и динамика силовой нагрузки отдельных элементов и ротора ветроагрегата в целом.

Значение угла атаки в зависимости от углового положения лопасти определяется выражением

(3.38)

где α - коэффициент быстроходности; β - азимутальный угол.

Как следует из представленной зависимости, угол атаки при этом немного меняется только при движении с высоким коэффициентом быстроходности. Подобные изменения приводят к колебаниям относительной скорости набегания потока w, величина которой зависит от углового положения лопасти следующим образом:

(3.39)

Изменение угла атаки и относительной скорости набегания потока на лопасти приводит к появлению дополнительных вращающихся моментов и изгибающих нагрузок.

Мощность ветроагрегата с прямыми профилированными лопастями можно определить по известной формуле:

(3.40)

Площадь обмахуванои поверхности

где H - высота лопасти; R - радиус траектории ее движения.

Формуле (3.40) можно пользоваться только при ориентировочном соотношении . При больших соотношениях мощность определяют по значению тангенциальной тяговой силы, которая определяется в каждой точке траектории движения одной лопасти по закону аэродинамики в зависимости от скорости обдува лопасти при движении в потоке ветра.

 
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Предметы
Агропромышленность
Банковское дело
БЖД
Бухучет и аудит
География
Документоведение
Естествознание
Журналистика
Инвестирование
Информатика
История
Культурология
Литература
Логика
Логистика
Маркетинг
Математика, химия, физика
Медицина
Менеджмент
Недвижимость
Педагогика
Политология
Политэкономия
Право
Психология
Региональная экономика
Религиоведение
Риторика
Социология
Статистика
Страховое дело
Техника
Товароведение
Туризм
Философия
Финансы
Экология
Экономика
Этика и эстетика
Прочее