2.3.1. Классификация ветроустановок

Имеются несколько признаков, по которым классифицируются ветроус - тановки.

По расположению оси вращения ветроколеса существуют агрегаты с го­ризонтальной, вертикальной и наклонной осями вращения. В установках с го­ризонтальной осью вращения эта ось совпадает с направлением движения воздушного потока. К числу таких установок относятся как старинные мель­ницы, так и большинство современных агрегатов (рис. 2.5).

Ротор в установках с вертикальной осью вращается вокруг оси, перпен­дикулярной направлению потока. Такие установки появились в 30-х годах прошлого столетия. Наиболее известными из них являются ротор Савониуса (рис. 2.6, а), ротор Дарье (рис. 2.6, б) с изогнутыми лопастями, ортогональные ветроустановки с прямыми вертикальными лопастями (ротор Масгрува) (рис. 2.6, в).

Их преимуществом перед агрегатами с горизонтальной осью является возможность работы независимо от направления ветра без системы ориента­ции. Кроме того, предельная мощность этих ветротурбин может быть значи­тельно больше, чем у машин с горизонтальной осью.

Рис. 25. Ветроэлектрическая установка с горизонтальной осью вращения: 1 —ветроколесо; 2 —поворотная гондола; 3 —опорная башня

Рис. 2.6. Ветроустановки с вертикальной осью вращения

Ветроагрегаты с наклонной осью вращения (рис. 2.7) представлены конст рукцией типа Monopteros, которая отличается большой скоростью вращения [50].

Рис, 2.7, Однолопастный ветроагрегат с контргрузом

По геометрии ветроколеса можно выделить установки многолопастные (18-24) с большим геометрическим заполнением и с малым заполнением (1-3 лопасти). Геометрическое заполнение представляет собой отношение суммар­ной площади всех лопастей к площади круга, очерчиваемого вращающимися лопастями. -

Как правило, многолопастные агрегаты отличаются малой скоростью вращения, но даже при низкой скорости ветра способны развивать большой крутящий момент, необходимый для привода различных рабочих органов — насосов для перекачки воды и других устройств.

Одно-трехлопастные роторы вращаются с болышой скоростью и соеди­няются главным образом с электрогенераторами.

Комплектация различными устройствами позволяет различать ветродви­гатель (ВД), ветроэнергетический агрегат (ВЭА), вепроэнергетическую уста­новку (ВЭУ) и ветроэлектрическую станцию (ВЭС).

Ветродвигатель преобразует кинетическую энергию патока в механиче­скую работу.

Ветроэнергетический агрегат сочетает ветродвигатель с одной или не­сколькими рабочими машинами для выработки электроэнергии, подъема во­ди, сжатия воздуха и т. д.

Ветроэнергетическая установка включает в себя ветроагрегат, аккумули­рующую систему, резервный двигатель и систему регулирования режимов ра­боты и управления.

Наиболее сложная система — это ветроэлектрическая станция, которая объединяет в единый энергетический комплекс от единиц до нескольких ТЫ­СЯЧ ветроэнергетических установок. Предназначается ВЭС для энергоснабже­ния отдельных удаленных населенных пунктов или для работы совместно с линией электропередачи.

Характер сил, приводящих ветроустановку в действие, также служит од­ним из признаков классификации. В соответствии с этим установки могут ис­пользовать силу сопротивления или подъемную силу, как у крыла самолета. Первые имеют плоские лопасти, которые вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра. Второй тип ветроколеса обычно снабжен лопастями с аэродинамическим профилем. Линейная скорость окончаний лопастей в не­сколько раз (до 12—14) может превышать скорость воздушного потока.

Существующие ветроагрегаты подразделяются по установленной мощности на малые (до 50 кВт), средние (50-600 кВт), мега ваттного класса (700-5000 кВт). Характеристики ветротурбин разных классов приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 Класс ВЭУ Установленная мощность, кВт Диаметр ветроко­леса D, м Период вра­щения, с Малый 10,2550 6,4-12 0,3-Д,4 Средний 55,100500,600 15, 43, 46 0,6-2,1 МегаваттныЙ 750,1000,1500,2000, 3000, 4000-5000 44,52, 68,70, 80, 100 3,1-5,7

2.3.2. Принцип работы ветроколеса Ветроколесо является основным узлом установки для использования энергии ветра. Его назначение — превращать кинетическую энергию потока воздуха в механическую и концентрировать ее на валу. Ветроколеса совре­менных ветроагрегатов собираются из нескольких лопастей, закрепленных на

втулке. Лопасти имеют аэродинамический профиль, при обтекании которого возникает подъемная сила, вращающая ветроколесо.

Расчет и проектирование ветроколеса базируется на законах аэродинами­ки, изучающей движение воздуха и его взаимодействие с поверхностью твер­дого тела при его обтекании. Чтобы пояснить возникновение подъемной силы крыла, обратимся к рис. 2.8.

Верхний и нижний контуры сечения имеют различную конфигурацию (рис. 2.8, а). Проходя у нижнего контура, поток воздуха замедляется из-за тре­ния. В этой части создается зона повышенного давления. Огибая более протя­женный верхний контур, поток ускоряется. Над крылом создается зона пони­женного давления. Разность давлений под крылом и над ним обусловливает возникновение подъемной силы Ру и вращающего момента на ветроколесе.

На рис. 2.8, б изображен план скоростей и сил, действующих на лопасть. Угол <р называется углом установки. Угол атаки а между нижней плоскостью и вектором скорости потока V относительно лопасти может изменяться при повороте лопасти относительно продольной оси. Очевидно, что р = а + ф. На схеме V соответствует скорости невозмущенного потока, Р* — лобовое сопро­тивление.

Известно, что кинетическая энергия потока определяется выражением

еде ш—- масса тела, кг; V — скорость, м/с.

Если вместо массы подставить массовый расход воздуха и выразить его через скорость V, плотность р и площадь сечения потока F, получим

М = р V F, кг/с. (2.3)

Подставим выражение (2.3) в (2.2) и будем иметь мощность потока

(2.4)

Поскольку поток взаимодействует с лопастями, то часть его энергии пе­редается ветроколесу. Естественно, преобразование кинетической энергии со­провождается различными потерями, поэтому мощность ветроколеса будет меньше мощности потока. Это различие учитывается коэффициентом мощно­сти Ср. Тогда для мощности ветроколеса уравнение (2.4) принимает вид

Р = СрР^,Вт.

р

Выразим F через радиус ветроколеса и получим

Величина Ср характеризует отношение энергии, преобразованной в меха­ническую работу, к полной энергии потока. Численно Ср можно выра­зить через коэффициент торможения потока а следующим образом:

Ср = 4 а(1-а)2, (2.7)

V-V' V-V"

где а = ——— = ———; V — скорость ветра в плоскости ветроколеса, м/с;

V* — скорость ветра за ветроколесом, м/с.

Анализ выражения (2.6) показывает, что мощность ветроагрегата опреде­ляется, главным образом, скоростью потока, радиусом ветроколеса, располо­жением лопастей в потоке и их профилем. На эту величину влияет температу­
ра воздуха, т. к. его плотность увеличивается зимой и уменьшается летом. Следует иметь в виду, что скорость потока зависит от высоты над земной по - верхностью, т. е. связана с высотой установки втулки ветроколеса.

Величина коэффициента мощности Ср зависит от многих факторов и мо­жет значительно отличаться для разных конструкций ветроколес. Теоретиче­ское максимальное значение Ср равно 0,59 (критерий Бетца). Реальные совре­менные ветротурбины достигают величин Ср = 0,4-0,5. Для ветроагрегатов, использующих силу сопротивления, Сртах = 0,22, а его повышение возможно при увеличении геометрического заполнения площади ветроколеса.

Даже для идеального ветроколеса коэффициент мощности Ср не может равняться I, так как поток не затормаживается полностью в сечении, где уста­новлены лопастн. Он проходит через ветроколесо, имея определенную ско­рость и, следовательно, кинетическую энергию.

Совершенство конструкции ветроколеса оценивается с помощью коэф­фициента полезного действия Т|

(2.8)

Например, если коэффициент мощности реального ветроколеса Српрсм = 0,45, то его КПД

Важным параметром для конструирования ветроагрегатов является быст­роходность Z і

где to— угловая скорость, рад/с.

Быстроходность представляет собой отношение линейной скорости конца лопасти к скорости набегающего потока и служит аэродинамической характе­ристикой ветроколеса.

При оптимальной быстроходности лопасть ветроколеса не попадает в по­ток, турбулизированный предыдущей лопастью. Этот поток успевает поки-
цу іь область ветроколеса. В то же время воздух не проходит через сечение ветроколеса свободно, без взаимодействия с его лопастями. Соотношение ме­жду оптимальной быстроходностью и числом лопастей ветроагрегата имеет

вид

Zam~4n/N7 (2.10)

где N — число лопастей.

Коэффициент мощности Ср, как отмечалось, не является постоянной ве­личиной. Он связан с быстроходностью. Характер зависимости коэффициента мощности Ср и быстроходности Z для различных ветроагрегатов изображен на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Зависимость коэффициента мощности ветроколеса от быстроходности

Анализ показывает, что самыми малыми коэффициентами мощности ха­рактеризуются тихоходные 4-лопастные крыльчатки мельницы и ротор Саво - ниуса. Эффективность использования энергии ветра у многолопастных ветро­агрегатов достаточно высока. Заметна тенденция увеличения коэффициента мощности с ростом быстроходности ветроколеса и уменьшением числа лопа­стей. Наивысшая быстроходность (7-15) свойственна однолопастным ветро - турбинам, которЫе выпускаются в Германии и Италии.

Крутящий момент на валу ветроколеса рассчитывается по формуле:
(Ш)

где См = — коэффициент крутящего момента.

Сила лобового давления на ветроколесо определяется из выражения

(2.12)

где С* = 4а(1—а) — коэффициент лобового давления.

При максимальной величине коэффициента мощности Ср = 0,593 коэф­фициент лобового давления С* = 0,89.

Расчет количества электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетической установкой в течение года, можно выполнить, используя формулу:

V3 « V3

А - У C. pF-i-At, + У С_рР-2-Д1(,кВт-ч. (2.13)

Выражение (2.13) учитывает то обстоятельство, что ВЭУ развивает мощ­ность Pt при работе в диапазоне скоростей потока от Р, до Vr В диапазоне скоростей от Vp до 25 м/с мощность установки достигает номинальной вели­чины. При Vt< 3 м/с и Vp > 25 м/с ветроагрегат отключается.

Распределение вероятности скорости ветра V = V, описывается функцией Вейбулла

(2.14)

Результаты расчетов по (2.14) хорошо совпадают с экспериментальными данными при параметре к = 1,8-2,3 и параметре С, близком к среднегодовой скорости ветра Vcp. Для к = 2 получаем распределение Рэлея

(2.15)

и временной интервал в безразмерном виде

At.

At. »------ *—

r 8760

где 8760 — число часов в году.