Классификация ветроустановок

Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам – геометрии ветроколеса и положению его относительно направления ветра.

Пусть воздушный поток, имеющий скорость (U_o), набегает на лопасть, перемещающуюся со скоростью (v), тогда скорость потока относительно лопасти будет (v_r). При взаимодействии потока с лопастью возникают:

Сила сопротивления F_D, параллельная вектору относительной скорости набегающего потока v_r;

Подъёмная сила F_L , перпендикулярная силе F_D;

Завихрение потока, обтекающего лопасти;

Турбулизация потока, т.е. хаотические возмущения его скорости по величине и направлению;

Препятствие для набегающего потока.

Рис.8.1. Скорости элемента лопасти и действующие на него силы: u_o – скорость ветра; v – скорость элемента лопасти; v_r – скорость элемента лопасти относительно ветра; F_D – сила лобового сопротивления, действующая в направлении скорости v_r; F_L – подъёмная сила, перпендикулярная силе F_D.

Рис. 8.2. Классификация ветроколёс: с горизонтальной осью (а), приведены способы ориентации при переднем расположении колеса; с вертикальной осью (б).

1 - однолопастное колесо; 2 - двухлопастное колесо; 3 – трёхлопастное колесо; 4 – многолопастное колесо; 5 – чашечный анемометр; 6 – ротор Савониуса; 7 – ротор Дарье; 8 – ротор Масгрува; 9 – ротор Эванса.

Рассмотрение классификации ветроколёс по признакам:

Установка ВЭУ может быть горизонтально – осевой или вертикально – осевой.

Вращающей силой является сила сопротивления (драг – машины) или подъёмная сила (лифт – машины).

ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при слабом ветре.

Наличие буфера между ветроколесом и электрогенератором уменьшает влияние флуктуаций ветра.

Основной вращающей силой у горизонтально – осевых ветроколёс пропеллерного типа является подъёмная сила. В ветроэлектрогенераторах обычно используются двух – и трёхлопастные ветроколёса.

Ветроэлектрогенераторы с вертикальной осью вращения при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Такая схема позволяет установить редуктор с генераторами внизу башни.

Недостатками таких установок являются:

Большая подверженность усталостным разрушениям из – за автоколебательных процессов.

Пульсация крутящего момента, приводящая к пульсациям выходных параметров генератора.

Наиболее распространённые типы вертикально – осевых установок следующие (рис. 8.2.):

Чашечный ротор (анемометр) – ветроколесо вращается силой сопротивления. Форма чашеобразной лопасти обеспечивает линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра.

Ротор Савониуса – это колесо, которое вращается силой сопротивления. Это ветроколесо обладает большим крутящим моментом и используется для перекачки воды.

Ротор Дарье. Вращающий момент создаётся подъёмной силой. Ротор Дарье используется в ветроэлектрогенераторах.

Ротор Масгрува. Лопасти этого ветроколеса в рабочем состоянии расположены вертикально, но при сильном ветре складываются вокруг горизонтальной оси.

Ротор Эванса. Лопасти этого ротора в аварийной ситуации поворачи-

ваются вокруг вертикальной оси.

Таблица 8.3.

Технико – экономические характеристики зарубежных ВЭУ

Основные технические данные отечественных ВЭУ. Таблица 8.4.

Наиболее мощными ВЭУ в мире являются две установки Е – 126, построенные в Германии фирмой Enercon в г. Эмден, мощностью по 7 МВт, диаметром ветроколеса 127м и высотой башни 135м.

8.3. Основы теории ветроэнергетических установок.
Преобразование энергии ветра

В отсутствие турбулентности объём воздуха, проходящего в единицу времени через поперечное сечение ветроколеса площадью А₁ (через ометаемую площадь) (рис.8.3.) обладает кинетической энергией, равной

Р_о = (1/2)*(ρ*А₁*u_o)*u_o² = (1/2)*ρ*A₁*u_o³, (8.2.)

где ρ и u_o – плотность и скорость набегающего воздушного потока;

Р_о – энергия ветрового потока.

Рис.8.3.Модель взаимодействия ветрового потока с ветроколесом.

Плотность воздуха ρ зависит от высоты и метеорологических условий. Скорость ветра увеличивается с высотой и сильно меняется во времени. Действующая на ветроколесо сила F₁ равна изменению количества движения массы проходящего через него в единицу времени воздуха m,

F = m*u_o – m*u₂ (8.3.)

Эта сила действует на ветроколесо со стороны протекающего через него воздушного потока и в районе ветроколеса скорость u₁. Мощность, развиваемая этой силой, т.е. мощность ветроколеса

Р = F*u₁ = m*(u_o – u₂)*u₁ (8.4.)

Но эта мощность теряется ветровым потоком, которая также равна:

Р_в = (1/2)*m*(u_o² – u₂²) (8.5.)

Приравнивая их, имеем

(u_o – u₂)*u₁ = (1/2)*(u_o²- u₂²) = (1/2)*(u_o – u₂)*(u_o +u₂) (8.6)

Откуда

u₁ = (u_o +u₂)/2, (8.7)

т.е. скорость воздушного потока в плоскости ветроколеса не может быть меньше половины скорости набегающего потока. Масса воздуха, проходящего через сечение А₁ в единицу времени, равна:

m = ρ*A₁*u₁ (8.8.)

Тогда с учётом (8.4.) и (8.7.) окончательно имеем:

Р = ρ*А₁*u₁²[u_o – (2u₁ -u_o)] = 2ρ*A₁*u₁²(u_o – u₁) (8.9.)

Относительное уменьшение в ветроколесе скорости набегающего потока:

а = (u_o – u₁)/u_o. (8.10.)

где а – коэффициент торможения потока.

u₁ = (1-a)u_o (8.11.)

С учётом (8.7.)

А = (u_o – u₂)/(2u_o) (8.12.)

Мощность ветроколеса

Р = С_р*Р_о (8.13.)

где Р_о - мощность набегающего ветрового потока;

С_р – часть этой мощности, передаваемая ветроколесу, равная:

С_р = 4*а*(1 – а)²

Максимального значения С_р достигает при а = 1/3 С_рмакс = 0,59 – критерий

Бетца. Этот критерий справедлив для любой установки, обтекаемой жидкостью или газом.

Рис. 8.4. Зависимость коэффициента мощности С_р от коэффициента торможения потока (а).