Классификация и принцип действия ветроэнергетических

Установок

Ветроэнергетические установки по своему назначению и виду преобразования энергии ветра в другие виды энергии подразделяют на: ветромеханические; ветроэлектрические; ветротепловые и комбинированные, в которых может обеспечиваться получение, например, механической и электрической энергии. Наиболее универсальны ветроэлектрические установки. По этой причине такие ВЭУ получили наибольшее распрастранение.

С точки зрения автономности использования различаются: автономные ВЭУ; ВЭУ, работающие с другими энергоисточниками (дизельные электростанции, фотоэлектрические установки и др.); ВЭУ, работающие в составе энергосистемы электроснабжения.

Автономные ВЭУ могут использоваться в качестве источника энергоснабжения, и в первую очередь – электроснабжения объектов, удаленных от линий электропередач, газопроводов и других коммуникаций. Учитывая непостоянство скорости ветра, а зачастую и его отсутствие, для непрырывного энергоснабжения в составе таких ВЭУ необходимо иметь аккумуляторы того вида энергии, который производится с помощью данной установки. Так для ветроэлектрических установок необходимо иметь электрический аккумулятор, способный обеспечить поступление электрической энергии на объект в течении не менее 2-х суток.

ВЭУ, работающие с другими энергоисточниками позволяют наилучшим образом выполнять задачу непрырывного энергоснабжения любых объектов. Благодаря наличию дизель-генератора, фотоэлектрической станции, мини-ТЭЦ или небольшой гидроэлектростанции, имеется возможность исключить потребность в аккумулировании энергии, производимой ВЭУ. При этом за счет использования ВЭУ обеспечивается экономия традиционного топлива.

При работе ВЭУ в составе энергосистемы также обеспечивается полное использование энергетического потенциала этой установки и экономия других ТЭР, потребляемых электростанциями, которые питают энергосистему.

Основным рабочим органом ветродвигателя ВЭУ является ветроколесо, принимающее на себя энергию ветра и преобразующее ее в механическую энергию своего вращения. Ветроколесо вращается за счет аэродинамических сил, возникающих при взаимодействии ветрового потока и лопастей. Различают быстроходные и тихоходные ветроколеса.

Быстроходное ветроколесо имеет небольшое число лопастей, обычно две или три. Взаимодействие ветрового потока и лопастей ветроколеса показано на рис.3.10. Для сечения лопасти, удаленного от центра вращения на расстояние R (радиус вращения), при угловой скорости вращения ω линейная скорость кругового движения (окружная скорость) сечения будет равна ωR. Вектор этой скорости расположен в плоскости вращения ветроколеса (рис.3.10.). Для данного сечения воздушный поток набегает с относительной скоростью υ_п. Эта скорость будет превышать скорость ветра υ_в , так как она складывается (векторно) из двух скоростей – скорости ветра υ_в и окружной скорости ωR.Возникающая аэродинамическая сила F_а раскладывается на подъемную силу F_п , создающую вращающий момент в направлении вектора окружной скорости ωR, и на силу лобового сопротивления F_с, действующую против направления вращения лопасти. Путем изменения угла установки лопасти φ путем ее поворота, можно изменять величину и направление векторов сил, действующих на лопасть. Этим достигается регулирование частоты вращения ветроколеса, ограничение его мощности, а также пуск и остановка ветродвигателя.

Рис.3.10. Векторная диаграмма сил и скоростей в сечении лопасти быстроходного ветроколеса: υ_в-скорость ветра; ωR-окружная скорость сечения лопасти; υ_п - скорость набегающего потока; R-радиус вращения сечения лопасти; φ- угол установки лопасти; α-угол атаки;F_А-полная аэродинамическая сила; F_п-подъемная сила; F_с-сила лобового сопротивления.

Мощность, развиваемая на валу ветроколеса приближенно можно определить по формуле:

Р_вк =3.85·10^-4 r Д²υ_в³С_в; кВт,

Где r-плотность воздуха, кг/м³; υ_в –скорость ветра, м/с; Д-диаметр ветроколеса, м; С_в-коэффициент использования энергии ветра.

Предельное значение коэффициента использования энергии ветра для быстроходного идеального ветроколеса определено русским ученым Н.Е. Жуковским и равно 0,593. Из формулы видны, что Р_вк пропорцианальна υ_в³ , что и определяет необходимость регулирования скорости вращения ветроколеса для обеспечения постоянства развиваемой мощности.

Тихоходные ветроколеса конструктивно могут быть выполнены в виде лопастных колес, с числом лопастей более 6…8. Кроме того, имеются разработки тихоходных ветродвигателей карусельного типа (см.рис.3.11.), барабанного, парусного типов и др. Значение С_в для многолопасных ветроколес не превышает 0,38. Для карусельного ветродвигателя С_р<0,18. Особенностью всех тихоходных ветродвигателей является то, что они при небольшой скорости вращения развивают большой вращательный момент. Регулирование частоты вращения и ограничение мощности достигается путем поворота оси вращения ветроколеса от направления ветра, уменьшением площади рабочих поверхностей ветроколеса и др.

В зависимости от ориентации оси вращения рабочего органа (ветроколеса, ротора и др.) ветродвигатели делятся на горизонтально-осевые и вертикально-осевые.

Горизонтально-осевые ветродвигатели, это такие, у которых ось вращения ветроколеса расположена вдоль направления ветрового потока (Рис.3.12). Для нормальной работы такие ветродвигатели требуют установки плоскости вращения ветроколеса перпендикулярно вектору скорости ветра.

Вертикально-осевые имеют ось вращения рабочего органа, расположенную вертикально относительно горизонтальной плоскости. Для таких устройств не требуется установка на ветер (Рис.3.11).

Рис.3.11. Ветроколесо вертикально-осевой ВЭУ: а) вид сбоку; б) вид сверху.

Рис. 3.12. ВЭУ горизонтально-осевого типа: а) вид сбоку; б) вид спереди.