Меню Рубрики

Принципы преобразования энергии ветра

ветроэнергетика

Солнечная и ветроэнергетика — самые развивающиеся отрасли в мире. Из всех видов возобновляемых источников именно ветряная энергетика является наиболее перспективной. Ветроустановки с лопастями с аэродинамическим профилем получили наиболее широкое распространение.

Преобразование энергоресурсов воздушного потока (ветра) осуществляется с помощью ветроэнергетических установок, превращающих кинетическую энергию воздушного потока в механическую энергию.

Мощность ветроэнергетической установки определяется коэффициентом использования энергии ветра и мощностью воздушного потока.

Величина коэффициента использования энергии ветра наиболее распространенных ветроустановок достигает величины 0,45, тогда как теоретический предел по разным литературным источникам равен 0,593 и 0,687.

Мощность воздушного потока определяется по формуле:

              N =  V3  F /2,   []    

где — плотность воздуха (при нормальных условиях = 1,25 кг / м3);

       V — скорость невозмущенного воздушного потока, м/с;

       F — площадь обмаха поверхности ветроустановки, м2.

Т.е. основными определяющими мощности воздушного потока являются скорость ветра и размер ветроколеса. Именно поэтому наблюдается мировая тенденция роста номинальной мощности единичной установки за счет увеличения диаметра ротора, что позволило существенно снизить стоимость ветроэнергетических установок и себестоимость выработанной электроэнергии.

Преобразование кинетической энергии воздушного потока в ветроустановках осуществляется путем его взаимодействия с рабочими органами, которые могут быть выполнены в виде:

  • лопастей (плоских, вогнутых или с аэродинамическим профилем)
  • цилиндров А.Флеттнера;
  • осциллирующих предметов, например, тросов;
  • системы с электродными сетками электрогидравлического динамического генератора.

Наиболее широкое распространенными рабочими органами являются лопасти с аэродинамическим профилем. Ветроустановки с рабочими органами в виде осциллирующих предметов и электрогидравлического динамического генератора находятся в стадии экспериментов. Последние данные свидетельствуют, что такого рода устройствам свойственны низкий коэффициент использования энергии ветра и сложности агрегатирования с нагрузкой, т.е существуют сложности проектирования, изготовления и монтажа.  Поэтому ветроустановки с лопастями на сегодняшний день не имеют конкуренции и дальше рассмотрим именно их.

Ветроустановки, использующие силу скоростного напора воздушного потока

Из-за низкой быстроходности и низкого значение коэффициента использования энергии ветра (КИЭВ) ветроустановки карусельного типа не находят широкого применения, их отличает повышенная материалоемкость, ненадежность при шквальных усилениях ветра, для них до сих пор не разработаны простые и надежные механизмы ограничения частоты вращения, сброса избыточного мощности, аварийной защиты от нахлынувших усилений ветра. Высокая парусность карусельных ВУ делает их уязвимыми при сильном ветре или бури. Эти причины привели к тому, что образцы карусельных ветроустановок имеют мощность, которая не превышает 1 кВт и практически неконкурентоспособны с ВУ, работающих на подъемной аэродинамической силе.

Основные конструктивные схемы таких ВУ представлены на рисунках ниже.

карусельный ротор ротор Савониуса ротор Дарье

Представленые ветроустановки имеют вертикальную ось вращения, установку на первом рисунке называют – карусельная. Из карусельных наибольшее распространен ротор Савониуса, представленный на втором рисунке. Преимуществами такого типа роторов является высокий стартовый момент и способность воспринимать ветер с любой стороны, а недостатками — низкая быстроходность и коефициент использования энергии ветра, а также значительная масса конструкции. Производится ротор Савониуса мощностью от 50 до 100 Вт.

Еще одна разновидность вертикальной ветротурбины на третьем рисунке — ротор Дарье. Имеет две или три изогнутые лопасти, закрепленные сверху и снизу центральной колонны, и может принимать ветер со всех сторон. Главным отличием ротора Дарье от ротора Савониуса является его быстроходность. Так, если скорость лопастей ротора Савониуса близка к скорости набегающего потока, то у ротора Дарье она в 3-4 раза выше.

Ветроустановки, использующие эффект Магнуса

При набегании ветрового потока на цилиндр вращающийся в соответствии с эффектом Магнуса, действует сила перпендикулярна направлению потока. Главным недостатком данного типа ветроустановок является значительное лобовое сопротивление. Устройства с вращательными цилиндрами нашли применение как паруса, для приведения в движение судов.

На видео пример современного использования цилиндра Флеттнера на финском судне M/S Viking Grace, которое совершает регулярные рейсы между Финляндией и Швецией.


На рисунках ниже представлена роторная установка, у которой вместо обычных лопастей – цилиндры, вращающиеся вдоль продольной оси. Как известно, эффект Магнуса заключается в том, что при вращении цилиндров в поперечном воздушном потоке создается подъемная сила, аналогичная возникающей при обтекании криволинейных поверхностей типа крыла самолета.

ротор магнус  магнус ротор

Последние исследования показали, что при определенных условиях (геометрия, размеры, частота вращения цилиндров и др.) эффективность использования мощности набегающего потока при малых скоростях ветра существенно выше, чем для обычных лопастных ветротурбин. Основные преимущества ветроустановок, использующих эффект Магнуса, проявляются при низких, но наиболее часто повторяющихся скоростях ветра 2-6 м/с.

Ветроустановки, использующие аэродинамическую подъемную силу

Ветроустановки, использующие аэродинамическую подъемную силу находят наиболее широкое распространение в ветротехнике. Их характерным признаком является наличие лопасти с аэродинамическим профилем, при обдуве его набегающим потоком образуется подъемная аэродинамическая сила, что и приводит лопасть в движение.

лопасть ветротурбины

Современные ветряные турбины способны преобразовать энергию ветра в электрическую благодаря лопастям с аэродинамическим профилем, которые разработаны с использованием самых современных средств компьютерного моделирования и специального оборудования, что делает их максимально эффективными.

Читайте цикл статей про ветроэнергетику, оборудование и принципы работы его основных компонентов.

А также, ответ на вопрос Откуда берется ветер?

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector