Классификация ветроэнергетических установок. Подъёмная сила и сила сопротивления.

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 22Следующая ⇒

Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам – геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра и подразделяются на три класса. Деление по классам производится по параметру, который называется быстроходностью Z.

1) ВЭУ, у которых ветровое колесо располагается в вертикальной плоскости; при этом плоскость вращения перпендикулярна направлению ветра, а ось ветроколеса параллельна потоку. Такие ветроколеса называются крыльчатыми.

Крыльчатые ветроколеса, в зависимости от типа ветроколеса и быстроходности, разделяются на три группы:

− ветроколеса многолопастные, тихоходные, с быстроходностью Z ≤ 2;

− ветроколеса малолопастные, тихоходные, в том числе ветряные мельницы, с быстроходностью Z >2;

− ветроколеса малолопастные, быстроходные, Z ≥ 3.

2) ВЭУ с вертикальной осью вращения ветрового колеса.

По конструктивной схеме они разбиваются на группы:

− карусельные, у которых нерабочие лопасти либо прикрываются ширмой,либо располагаются ребром против ветра;

− роторные ветроколеса системы Савониуса.

3) ВЭУ, работающие по принципу водяного мельничного колеса и называются барабанными. У этих ветроколес ось вращения горизонтальна и перпендикулярна направлению ветра.

Пусть воздушный поток, имеющий скорость u, набегает на лопасть, перемещающуюся со скоростью v, тогда скорость потока относительно лопасти Vr . При взаимодействии потока с лопастью возникают:

– сила сопротивления F_D , параллельная вектору относительной скорости набегающего потока v_r , и подъемная сила F_L , перпендикулярная к силе F_D . Слово «подъемная» в этом термине конечно не означает, как в аэродинамике, что эта сила направлена вверх;

– завихрение обтекающего лопасти воздушного потока, что приводит к его закрутке за плоскостью ветроколеса, т. е. к вращению относительно вектора скорости набегающего потока;

– турбулизация потока, т. е. хаотические возмущения его скорости по величине и направлению. Турбулентность возникает как за колесом, так и перед ним, в результате лопасть часто оказывается в потоке, турбулизированном другими лопастями;

– препятствие для набегающего потока. Это его свойство характеризуется параметром, называемым геометрическим заполнением и равным отношению площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную к потоку, к ометаемой ими площади. Так, например, при одинаковых лопастях четырехлопастное колесо имеет вдвое большее геометрическое заполнение, чем двухлопастное.

Принцип преобразования энергии ветра в механическую и электрическую энергии. Коэффициент мощности ВЭУ, коэффициент торможения воздушного потока.

Преобразование энергии ветра.В отсутствие турбулентности объем воздуха, проходящего в ед. времени через поперечное сечение ветроколеса площадь А обладает кинетической энергией:

Здесь p и u₀ - плотность и скорость набегающего воздушного потока, таким образом, Р₀ есть энергия ветрового потока.

Плотность воздуха p зависит от высоты и метеорологических условий.

Скорость ветра увеличивается с высотой, зависит от местных географических условий и в любом случае сильно меняется во времени. Будем считать скорость u₀ и плотность p постоянными во времени и в любом поперечном сечении рассматриваемого воздушного потока. Такая модель, несмотря на целый ряд допущений, чрезвычайно полезна.

Действующая на ветроколесо сила F₁ равна изменению количества движения массы проходящего через него в единицу времени воздуха m, т. е. можно считать, что:

Эта сила действует на ветроколесо со стороны протекающего через него воздушного потока, который можно считать однородным и имеющим скорость u₁. Мощность, развиваемая этой силой, т.е.

Мощность ветроколеса:

Коэффициент торможения потока: Так как при столкновение с телом частички воздуха теряют свою скорость, следует вводить поправочный коэффициент который будет характеризовать интенсивность торможения потока а:

Вместо коэффициента а, иногда используют коэффициентb=u₂/u₀, также называемый коэффициентом торможения потока

Коэффициент мощности С_р - часть мощности ветрового потока передаваемая ветроколесу, характеризует эффективность использования ветрогенератором энергии воздушного потока, проходящего через ометаемую ветроколесом площадь А₁. Критерий Бетца. На практике

Мощность ветроколеса:

Крыльчатые ветроколеса работают за счет косого удара при движении лопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра. Устройство такого колеса показано на рис. 2.19. На горизонтальном валу закреплены крылья, число которых у современных ветродвигателей бывает от двух и более. Крыло ветроколеса состоит из маха а и лопасти б, закрепляемой на махе так, что она

образует с плоскостью вращения некоторый угол φ. Этот угол называют углом заклинения лопасти (рис. 2.19). При этом на ее элементы набегает воздушный поток с относительной скоростью под углом а, который называют

углом атаки, и действует с силой F. Углы φ и а в значительной мере определяют эффективность крыльев.

Силу F раскладывают на силы и (рис. 2.20, а). Сила производит давление в направлении ветра, которое называется лобовым давлением. Сила действует в плоскости y−y вращения ветроколеса и создает крутящий момент.

Максимальные силы, приводящие колесо во вращение, получаются при некотором значении угла атаки а, т. е. угла наклона относительного потока к поверхности лопасти.

Ввиду того, что окружная скорость по длине крыла не одинакова, а возрастает по мере удаления его элементов от оси вращения ветроколеса, относительная скорость набегающего потока на лопасть также возрастает. Вместе с этим убывает угол атаки а, и при некоторой окружной скорости ωR, (ω – угловая скорость) этот угол станет отрицательным (рис.2.20, б). Следовательно, не все элементы крыла будут иметь максимальную подъемную силу.

Если уменьшать угол заклинения φ каждого элемента лопасти по мере

удаления его от оси вращения так, чтобы наивыгоднейший угол атаки, а примерно сохранялся постоянным, то приблизительно все элементы лопасти будут работать со своей максимальной подъемной силой.

Лопасть с переменным углом заклинения будет иметь форму винтовой поверхности.

Правильное исполнение обеспечивают высокий коэффициент использования энергии ветра. У хорошо выполненных моделей он достигает 45 %.

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 742; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 4 5 6 7 8910 11 12 13 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!