Где применяются ветряные двигатели кратко
Обновлено: 02.07.2024
Ветряные двигатели являются приемниками энергии ветра, т. е. массы воздуха, движущегося приблизительно параллельно земной поверхности в данном месте. Во всяком ветряном двигателе часть этой движущейся массы воздуха заставляют, так или иначе, действовать на лопатки или крылья колеса, сидящего на валу; колесо получает вращательное движение. Свойства ветряного двигателя обусловливаются свойствами ветра. Ветер меняет постоянно и свое направление, и свою силу. Если мы желаем, чтобы ветряной двигатель давал всегда наибольшую возможную работу, то мы должны постоянно устанавливать его наивыгоднейшим относительно направления ветра образом: следовательно, ветряной двигатель должен быть снабжен приспособлением для его ориентирования. При изменении же силы ветра будет изменяться и работа двигателя, и для того, чтобы иметь возможность получать от ветряного двигателя всякий раз лишь столько работы, сколько требуется, и поддерживать равномерный ход двигателя, а также защитить его от разрушения при слишком сильном ветре, двигатель должен быть снабжен приспособлением для его регулирования.
Изменение направления ветра происходит не случайно, а согласно известному закону; именно в северном полушарии ветер изменяет свое направление в большинстве случаев в порядке румбов компаса, обегаемого по часовой стрелке, а в южном полушарии - в обратном направлении.
Закона изменения силы ветра, которая зависит от его скорости, метеорология пока точно не выяснила (об измерении силы ветра см. ветер и анемометр). Ветряной двигатель, снабженный приспособлениями для ориентирования и регулирования, может работать при всяком направлении ветра, но не при всякой силе ветра. Если скорость ветра менее 3 метров в секунду, то ветряной двигатель полезной работы почти не дает. С другой стороны, когда скорость ветра начинает превосходить 10 метров, то ветряной двигатель рискует быть изломанным, и при таком ветре регулирующий прибор заставляет двигатель подставлять ветру меньшую поверхность. Наиболее подходящим для работы является ветер со средней скоростью, в 6-7 метров.
Вследствие непостоянства силы ветра ветряные двигатели являются неудобными, а иногда даже и неприменимыми в тех случаях, когда требуется постоянная работа, или когда от двигателя приходится требовать работы во всякое время. Вследствие этого область применения ветряного двигателя ограничена. По преимуществу они употребляются для приведения в движение мукомольных мельниц, лесопилок, для движения насосов, поднимающих воду, для приведения в движение мелких машин в сельском хозяйстве и проч. В последнее время профессор Лакур (в Дании) изобрел весьма простой и удобный аккумулятор, который позволяет пользоваться ветряным двигателем для электрического освещения (в небольших размерах). Другим неудобством ветряного двигателя, кроме непостоянства работы, является его громоздкость, обусловленная тем, что давление ветра на единицу площади, вообще говоря, слишком мало по сравнению, например, с давлением пара или воды, падающей с большой высоты. Поэтому, для получения большой мощности приходится ветряной двигатель снабжать крыльями, имеющими огромную площадь, и ветряные двигатели обыкновенно не строят более, чем в 40 лошадиных сил, да и при такой мощности диаметр колеса выходит около 20 метров.
Выгодами ветряного двигателя являются: во-первых - простота устройства, а во-вторых - бесплатность движущей силы. По расположению вала ветряные двигатели можно разделить на два класса, именно - двигатели с горизонтальным (или слегка наклонным) валом и двигатели с вертикальным валом. В практике почти исключительным распространением пользуются двигатели первого класса. Двигатели с вертикальным валом и горизонтальным колесом в употребление не вошли. Далее будем говорить только о двигателях с горизонтальным валом. Такие двигатели, в свою очередь, можно разделить на два вида. К первому виду принадлежат двигатели, у которых колесо имеет малое число крыльев (четыре, шесть, восемь). Эти двигатели являются первыми по времени. Они были известны народам Азии более чем тысячу лет тому назад и в XII веке появились в Европе. Почти все ветряные мельницы строились и теперь строятся по этому типу.
В 70-х г. XIX ст. появились в Америке и затем распространились и в Европе двигатели второго вида, где колесо имеет значительное число крыльев (иногда 40 и более), так что получается, действительно, подобие колеса, состоящего из многих узких лопаток или крыльев. С момента появления этих двигателей конструкторы их уверяли (а большинство публики им верило), что такое устройство выгоднее и более полно утилизирует энергию ветра. Однако, только в 90-х годах датский профессор Лакур впервые произвел сравнительные опыты над колесами обоих видов и пришел к тому заключению, что освященная веками старая ветрянка с четырьмя крыльями есть самая лучшая. Результат этот для многих явился полной неожиданностью.
Лопатки или крылья двигателей делаются из дерева, парусины или железа. В Европейских двигателях, с малым числом крыльев, обыкновенно натягивают на деревянный остов парусину или же делают все крыло из дерева; в американских же заполняют окружность колеса небольшой ширины лопатками из дерева или листового железа. Крыло или лопатка бывает и плоским, и слегка изогнутым. Форма лопатки имеет большое значение, но подробности об ней можно изложить лишь в специальных сочинениях. Вообще говоря, всякая лопатка устраивается так, что она не лежит в плоскости вращения колеса, а наклонена к ней всей своей плоскостью, если она прямая, или всеми своими элементами, если она изогнутая, так что, по сути работы, ветряное колесо напоминает пароходный или воздухоплавательный винт (см. гребной винт). Скорость вращения колеса должна быть в известном наивыгоднейшем отношении к скорости ветра.
В европейских двигателях ориентирование обыкновенно производится от руки; машинист поворачивает или весь двигатель с домом, в котором он помещается (немецкая мельница), или только верхнюю часть его с колесом, валом и первым зубчатым колесом (голландская мельница) до тех пор, пока ветер не будет дуть прямо на лопасти крыльев, т. е. пока ось вала не станет в плоскости ветра. Регулирование здесь производят тоже от руки, во время остановки двигателя, уменьшая площадь парусины или деревянных лопастей. В американских двигателях и ориентирование, и регулирование производятся автоматически. Ориентирование, производится или посредством руля, или посредством розы. Руль есть большая плоская лопата, приделанная к той раме, в которой лежит вал колеса, и прикрепленная к ней так, что плоскость руля перпендикулярна к плоскости вращения колеса. Такой руль давлением ветра всегда устанавливается так, что руль лежит в той плоскости, в которой идет ветер, а плоскость вращения всегда будет к ней перпендикулярна, что и требуется. Роза есть маленькое ветряное колесо, лежащее в рамке, приделанной к главной раме двигателя так, что плоскость вращения розы перпендикулярна к плоскости вращения главного колеса; от вала розы идет зубчатая передача к механизму, который поворачивает раму главного колеса. Если ветер изменяется и начинает дуть не перпендикулярно к плоскости главного колеса, то он начинает тогда задувать и на розу, вращает ее, и механизм повертывает раму главного колеса до тех пор, пока роза не станет опять в плоскости ветра, а главное колесо - перпендикулярно к плоскости ветра.
Регулирование в американских двигателях тоже состоит в уменьшении площади, подставляемой под ветер, и делается двумя способами. По одному способу (прототип - колесо Eklipse) все колесо по мере возрастания силы ветра становится все менее наклонно к плоскости ветра (регулирование делает нечто обратное ориентированию); это происходит от давления ветра на особую лопату (рис. 2) или же просто на эксцентрично помещенное колесо (рис. 1).
По другому способу (прототип - колесо Halladay) - лопатки соединяются в группы, и группы эти по мере возрастания силы ветра наклоняются все более, приближаясь к параллельности с валом колеса (рис 3).
Для того, чтобы каждый раз колесо или лопатки останавливались в положении, соответствующем силе ветра, устраивают при обоих способах так, что отклонению противодействует пружина или груз на рычаге с постоянно увеличивающимся плечом. Иногда ставят регулирование в зависимость не от силы ветра, а от скорости вращения двигателя, и тогда регулирование производится обыкновенным центробежным регулятором. Американские двигатели устанавливают на особо высокой башне, сделанной из дерева или из железа (рис. 4).
Главным преимуществом американских двигателей, по исследованиям профессора Лакура, является то, что они лучше выдерживают перегрузку при малой скорости вращения и могут свободно работать тогда, когда простая ветрянка уже останавливается. Из оригинальных русских конструкций саморегулирующихся двигателей заслуживают внимания двигатели инженер-механика Давыдова (в Москве).
Рис.1. ВЕТРОКОЛЕСО барабанного типа.
S-образный ротор. Установленный на вертикальном валу S-образный ротор (рис. 2) хорош тем, что ветродвигатель с таким репеллером не надо выводить на ветер. Хотя крутящий момент на его валу меняется от минимального до одной трети от максимального значения за полоборота, он не зависит от направления ветра. Когда гладкий круговой цилиндр вращается, находясь под действием ветра, на тело цилиндра действует сила, перпендикулярная направлению ветра. Это явление называется эффектом Магнуса, в честь немецкого физика, который его изучал (1852). В 1920-1930 А.Флеттнер применил вращающиеся цилиндры (роторы Флеттнера) и S-образные роторы взамен лопастных ветроколес, а также как движители корабля, который совершил переход из Европы в Америку и обратно.
Рис. 2. S-ОБРАЗНЫЙ РОТОР (коэффициент использования ветра 30-35%, w/u = 1,8).
Коэффициент использования энергии ветра. Мощность, получаемая от ветра, обычно мала - менее 4 кВт развивает агрегат устаревшего типа голландской ветряной мельницы при скорости ветра 32 км/ч. Мощность потока ветра, которую можно использовать, образуется из кинетической энергии масс воздуха, проносящихся в единицу времени перпендикулярно площади заданного размера. В ветродвигателе эта площадь определяется наветренной поверхностью репеллера. При учете высоты над уровнем моря, давления воздуха на ней и его температуры располагаемая мощность N (в кВт) на единицу площади определяется уравнением N = 0,0000446 V3 (м/с). Коэффициент использования энергии ветра определяется обычно как отношение мощности, развиваемой на валу ветродвигателя, к располагаемой мощности ветрового потока, воздействующего на наветренную поверхность ветроколеса. Максимальным этот коэффициент становится при определенном соотношении между скоростью внешнего края лопасти ветроколеса w и скорости ветра u; значение этого соотношения w/u зависит от типа ветродвигателя. Коэффициент использования энергии ветра зависит от вида ветроколеса и составляет от 5-10% (голландская мельница с плоскими крыльями, w/u = 2,5) до 35-40% (профилированный крыльчатый репеллер, 5 Ј w/u Ј 10).
ЛИТЕРАТУРА
Ветроэнергетика. М., 1982 Ярас Л. и др. Энергия ветра. М., 1982
Назначение ветрогенератора (другое название ветроэлектрическая установка или ВЭУ) — преобразование кинетической энергии мощных воздушных потоков в электричество.
Энергетики выделяют две основные категории ВЭУ – промышленные и для частного применения (бытовые).
Первые, как правило, устанавливаются государством или же крупными энергетическими компаниями с последующим объединением в сеть, позволяющую создавать ветряные электростанции (ВЭС).
Их главная отличительная особенность – работа без применения какого-либо вида топлива. Соответственно, практически нет и никаких отходов.
Единственное условие эффективной работы ВЭУ – наличие постоянного и достаточно сильного ветра в среднегодовой перспективе.
Ветрогенераторы, в зависимости от способа ориентации осей вращения применяемых турбин, делятся на два типа:
— с вертикальным расположением (роторные, лопастные);
— с горизонтальным расположением (крыльчатые).
Конструкция последних является более эффективной, так как КИЭВ (коэффициент использования ветрового потока) даже далеко не на современных моделях составляет не менее 30%, в то в время как у вертикально-осевых ВЭУ с учетом тщательной наладки этот показатель не превышает 20 %.
Одними из основных причин интенсивного развития ветроэнергетики являются: постоянно дорожающие традиционные виды топлива (прежде всего: нефть, газ, уголь, торф), снижение их мировых запасов, а также проведение необходимых мероприятий по
Хотя теоретически получаемая с помощью такой технологии электроэнергия должна иметь минимальную себестоимость, имеются и определенные проблемы, препятствующие быстрому развитию этой отрасли.
Прежде всего – это стоимость самой ветроустановки. Причем основными составляющими здесь выступают такие необходимые компоненты, как
аккумуляторы и инверторы, преобразующие постоянный ток 24 В в необходимый промышленности переменный (50 Гц) напряжением 220 В. Поэтому говорить о себестоимости киловатта выработанной электроэнергии довольно сложно – при практически нулевых затратах на топливо, затраты на монтаж таких систем довольно велики.
Специалисты подсчитали, что с учетом этих факторов использование небольших автономных ветроустановок экономически, с учетом их стоимости, нецелесообразно. Другое дело, когда поблизости нет источников электроэнергии. В этом случае ВЭУ является вполне достойным конкурентом мобильным
При этом сейчас эксперты пришли к выводу, что наиболее эффективной схемой использования энергии ветра является преобразование его с помощью соответствующих ТЭНов в тепло, которое можно применить для обогрева помещений и обеспечения своевременного горячего водоснабжения загородного
Такое решение позволяет существенно упростить всю конструкцию, начиная с отказа от дорогостоящего оборудования и заканчивая возможностью организации простой, и при этом весьма действенной, автоматики.
Использование энергии ветра сегодня считается одним из самых перспективных направлений освоения
ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ преобразует энергию ветра в механическую работу. Основная рабочая часть В. д. — ветровое колесо. В. д. по принципу работы разделяются на 3 основных типа: 1) карусельные, 2) барабанные и 3) крыльчатые. Барабанные В. д. отличаются от карусельных лишь расположением ветрового колеса в воздушном потоке; ось ветрового колеса барабанного В. д. располагается в горизонтальной плоскости, перпендикулярно к направлению ветра (рис. 1), а ось ветрового колеса карусельного В. д. располагается в вертикальной плоскости (рис. 2). Принцип работы карусельных и барабанных В. д. основан на использовании силы сопротивления поверхности, находящейся под действием воздушного потока и перемещающейся в его направлении. Отсюда крупные недостатки данного принципа работы: воздушный поток, обтекающий ветровое колесо, действует только на половину лопастей, в то время как другая часть лопастей либо прикрыта ширмой, либо расположена ребром к направлению ветра. Движение лопастей в направлении ветрового потока обусловливает тихоходность двигателя (поверхности не могут перемещаться быстрее движущего их потока). В результате В. д. карусельного и барабанного типа отличаются низким коэф-том использования энергии ветра. Принцип работы крыльчатых В. д. отличен от принципа работы карусельных и барабанных. У крыльчатых В. д. крутящий момент ветрового колеса создаётся за счёт подъёмных сил, к-рые возникают при набегании воздушного потока на его лопасти, стоящие под нек-рым углом к направлению относительной скорости потока. Этот угол называют углом атаки (рис.3). В данном случае лопасти перемещаются перпендикулярно к направлению потока и находятся под одинаковой нагрузкой в течение всего процесса их работы при определённой скорости ветра. Благодаря этому получается высокий коэф-т использования энергии ветра и большая быстроходность В. д. При протекании воздушного потока через ветровое колесо нек-рая часть его энергии превращается в механическую работу. Отношение энергии, полученной в виде механической работы, к энергии, заключённой в воздушном потоке, протекающем через ветровое колесо, принято называть коэф-том использования энергии ветра. По теории Н. Е. Жуковского, В. П. Ветчинкина, теоретический коэф-т использования энергии ветра равен 0,593; по новой теории Г. X. Сабинина, он равен 0,68. Этот коэф-т называют идеальным, т. к. приведённое значение его м. б. получено лишь от ветрового колеса, работающего без потерь. Реальный коэф-т использования энергии ветра значительно ниже и характеризуется след. данными: 1) крыльчатые В. д. — 0,35 — 0,42; 2) карусельные — 0,06 — 0,10; 3) роторные — 0,15 — 0,24. В практике широко применяются крыльчатые В. д. 2 типов: 1) многолопастные тихоходные и 2) малолопастные быстроходные.
Рис. 1. Схема ветрового колеса барабанного типа
Рис. 2. Схема ветрового колеса карусельного ветродвигателя
Рис. 3. Схема крыльчатого ветрового колеса и его положение в потоке ветра: Рx — сила, создающая лобовое давление; Рy — сила, создающая крутящий момент: а — угол атаки; р — угол заклинения лопасти; у-у — плоскость вращения ветрового колеса
Многолопастные В. д. имеют ветровое колесо с 8 и более лопастями. Особенностью многолопастных В. д. является тихоходность и большой начальный — пусковой момент ветрового колеса, что делает их удобными для работы с машинами, требующими большого начального момента при трогании, напр., поршневой насос, чигирь и т. п. Многолопастные В. д. применяются, гл. обр., для работы с поршневыми насосами.
Рис. 4. Общий вид ветродвигателя ТВ-5
Рис. 5. Схема регулирования ветродвигателя ТВ-5 выводом ветрового колеса из-под ветра
Малолопастные В. д. имеют ветровое колесо с числом лопастей от 2 до 6. Особенность этих двигателей — быстроходность. В отношении же пускового момента быстроходные В. д. уступают многолопастным, т. к. этот момент у них мал. Поэтому быстроходные В, д. удобны для работы с такими машинами, к-рые требуют малого момента при трогании и большого числа оборотов, при установившемся режиме работы, как, напр., генераторы и центробежные насосы.
Цельнометаллические В. д. В СССР применяются 3 типа этих В. д., изготовляемых промышленностью: ТВ-5, ТВ-8 и ВИМЭ-Д-12. В. д. ТВ-5 имеет многолопастное ветровое колесо с диам. в 5 м (рис. 4). Начинает работать при скорости ветра от 3 до 4 м /сек. При скорости ветра 8 м /сек начинает действовать регулирование, ограничивающее обороты и мощность двигателя путём вывода ветрового колеса из-под ветра (рис. 5). При скорости ветра до 8 м /сек ветровое колесо занимает положение 1, а при скорости ветра выше 8 м /сек — положение 2, и, наконец, при скорости ветра выше 14 м /сек ветровое колесо занимает положение 3 и останавливается. Выход колеса из-под ветра при скорости последнего выше 8 м/сек обусловливается тем, что ось вращения колеса смещена относительно вертикальной оси головки В. д. Центр давления ветрового потока также смещён относительно вертикальной оси. Вследствие этого сила ветра создаёт крутящий момент, поворачивающий головку В. д. в горизонтальной плоскости и уводящий ветровое колесо от прямого воздействия воздушного потока. В обратное положение ветровое колесо возвращается пружиной, к-рая с одной стороны прикреплена к хвосту, располагающемуся приблизительно параллельно направлению ветра, а с другой — к головке В. д. Так. обр., в процессе регулирования всё время соблюдается равновесие между моментом от усилия пружины и моментом от давления ветра на ветровое колесо, стремящимся повернуть колесо вокруг вертикальной оси головки. В зависимости от степени натяжения пружины, ветровое колесо может выходить из-под ветра при большей или меньшей его скорости. В. д. монтируют на металлической башне ферменной конструкции выс. в 15 м и применяют только для подъёма воды поршневым насосом.
Рис 6. Общий вид ветродвигателя ТВ-8
Рис.7. Регулирование ветродвигателя ТВ-8 выводом ветрового колеса из-под ветра боковой лопатой
В. д. ТВ-8 имеет ветровое колесо диам. 8 м с 18 лопастями (рис. 6). Вращение ветрового колеса передаётся через пару конических зубчатых колёс вертикальному валу, к-рый у основания башни приключён к приводной лебёдке, имеющей кривошипный механизм для привода штанги насоса и шкив от к-рого ременной передачей можно вращать центробежный насос, мельничный постав и др. с.-х. машины. Установка на ветер осуществляется хвостом (подобно флюгеру). Регулирование оборотов и мощности осуществляется боковой лопатой, закреплённой позади плоскости вращения ветрового колеса. При увеличении скорости ветра выше 8 м /сек сила ветра, действующая на лопату, поворачивает головку В. д. в горизонтальной плоскости и выводит ветровое колесо из-под ветра (рис. 7). В. д. смонтирован на металлической башне ферменной конструкции выс. 15 м.
В. д. ВИМЭ-Д-12 — быстроходный (рис. 8.) Ветровое колесо двигателя имеет в диам. 12 м и состоит из 3 лопастей, с обтекаемым аэродинамическим профилем. Вращение ветрового колеса передаётся через пару конических шестерён вертикальному валу, к-рый внизу приключён к редуктору.
Рис. 8. Общий вид ветродвигателя ВИМЭ-Д-12
Рис. 9. Различные положения конца лопасти в процессе работы ветродвигателя ВИМЭ-Д-12 (регулирование)
На концах горизонтального вала редуктора насажено 2 шкива для передачи вращения генератору, центробежному насосу, мельничному поставу или др. машинам. Установка на ветер осуществляется хвостом. Регулирование мощности и оборотов В. д. осуществляется поворотом конца лопасти под необходимый угол атаки к ветровому потоку. Различные положения конца лопасти в процессе работы В. д. показаны на рис. 9 (1 — В. д. остановлен, 2 — В. д. начинает работать, 3 — В. д. работает и регулируется). Регулирование В. д. обеспечивает постоянство оборотов ветрового колеса, с неравномерностью 1,5-3%. В. д. при наличии такого регулирования может работать с постоянными оборотами даже при скорости ветра 40 м /сек. Пуск и остановка В. д. осуществляются снизу ручной лебёдкой, к-рая натягивает трос, соединённый через муфты, рычаги и блок с тягами центробежных грузов, расположенных в крыле. Равномерность хода этого В. д. позволяет использовать его для привода машин, требующих большую равномерность хода. Вообще регулирование В. д. устанавливается в соответствии со среднегодовыми скоростями ветра в данной местности. Регулирующие пружины подбирают так, чтобы в р-нах со среднегодовой скоростью ветра 4 — 5 м /сек В. д. начинали регулироваться при скорости ветра 8 м/сек; в р-нах со среднегодовой скоростью ветра 6 — 7 м /сек — при скорости ветра 10 м /сек; в р-нах со среднегодовой скоростью ветра 8 м /сек и выше регулирование начинается при скорости ветра 14 м /сек. Техническая характеристика современных В. д. и развиваемая ими мощность приводятся в табл. 1.
Табл. 1. Основные показатели современных отечественных ветродвигателей
Табл. 2. Часовая производительность ветряных двигателей отечественного производства при подъёме воды на разные высоты в зависимости от рабочей скорости ветра
Эксплоатационные показатели ветродвигателей ТВ-5 и ТВ-8, применяемых в с. х-ве для водоснабжения, приведены в табл. 2 и 3.
Табл. 3. Годовая производительность ветряных двигателей отечественного производства при подъёме воды в зависимости от среднегодовых скоростей ветра
( Примечание. Среднегодовая скорость ветра для данного р-на устанавливается по материалам наблюдения местной метеорологической станции.)
Данные этих табл. позволяют подобрать тот или иной тип ветродвигателя в зависимости от потребности х-ва в воде, а также в зависимости от среднегодовой скорости ветра и дебита источника воды.
Механизация различных процессов с.-х. работ (водоснабжение, осушение заболоченных мест, помол) требует огромного количества энергии. Эту энергию может дать сила ветра.
См. также Мельница, Электрификация сельского хозяйства.
- Сельскохозяйственная энциклопедия. Т. 1 (А — Е)/ Ред. коллегия: П. П. Лобанов (глав ред) [и др.]. Издание третье, переработанное — М., Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1949, с. 620
ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
Энциклопедия Кольера. — Открытое общество . 2000 .
ветродвигатель — ветродвигатель … Орфографический словарь-справочник
ветродвигатель — двигатель, пневмоветродвигатель, ветряк, виндротор Словарь русских синонимов. ветродвигатель сущ., кол во синонимов: 4 • ветряк (8) • … Словарь синонимов
ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ — использует энергию ветра для выработки механической энергии. Распространены преимущественно крыльчатые ветродвигатели, у которых ось вращения ветроколеса совпадает с направлением воздушного потока … Большой Энциклопедический словарь
ветродвигатель — ВД Устройство для преобразования ветровой энергии в механическую энергию вращения ветроколеса. [ГОСТ Р 51237 98] Тематики ветроэнергетика Синонимы ВД EN wind motor … Справочник технического переводчика
ветродвигатель — ветряной двигатель … Словарь сокращений и аббревиатур
ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ — (ветряной двигатель) двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. Примитивный вид В. ветряная мельница. Различают В.: крыльчатые, карусельные, или роторные, и барабанные … Большая политехническая энциклопедия
Ветродвигатель — двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. В качестве рабочего органа В., воспринимающего энергию (давление) ветрового потока и преобразующего её в механическую энергию вращения вала, применяют… … Большая советская энциклопедия
ветродвигатель — машина, преобразующая кинетическую энергию ветра в механическую энергию. Рабочим органом ветродвигателя является ветроколесо, воспринимающее напор воздушного потока и преобразующее его в механическую энергию вращения вала. Различают… … Энциклопедия техники
ветродвигатель — я; м. Двигатель, приводимый в действие силой ветра. * * * ветродвигатель использует энергию ветра для выработки механической энергии. Распространены преимущественно крыльчатые ветродвигатели, у которых ось вращения ветроколеса совпадает с… … Энциклопедический словарь
ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ — двигатель, использующий кинетич. энергию ветра для выработки механич. энергии. Различают В. крыльчатые (см. рис.), как правило, с горизонтальной осью вращения, с коэфф. использования энергии ветра до 0,48 (наиболее распространены); карусельные,… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Ветротурбины отличаются по ориентации оси вращения по отношению к направлению ветра и по типу ветротурбины.
По ориентации оси вращения ветротурбины подразделяются на ветроустановки с вертикальной осью вращения и ветроустановки с горизонтальной осью вращения. Ветроустановки с горизонтальной осью составляют около 95% всех ветроустановок, подключенных к сетям энергосистем.
Ветротурбины также принципиально отличаются по тому, какую силу они используют для преобразования в механическую — силу давления ветра или подъемную силу. От этого свойства существенно зависит КПД ветротурбины. Теоретические КПД равны: для первого типа 0,22, для второго — 0,59 (согласно теории Жуковского Бетца).
Ветроустановки, использующие силу давления ветра, имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравнению с пропеллерными или другими, использующими подъемную силу крыла. Это примерно как гребные колеса у дореволюционных пароходов по сравнению с обычным винтом любого современного корабля или катера. Такие ветротурбины имеют большую материалоемкость и, соответственно, высокую удельную стоимость.
Ортогональные ветроустановки с вертикальной осью вращения, которые используют подъемную силу крыла, имеют КПД немногим менее пропеллерных, поэтому их эффективность также высока. Но у таких вертикально-осевых турбин есть другой недостаток — они не могут самостоятельно начать вращение, и для их запуска их надо раскрутить — или от сети, или с помощью другой ветротурбины, имеющей стартовый момент вращения (часто используется турбина Савониуса для этих целей).
Идея этого ветрогенератора была предложена французским изобретателем Дарье в 1920 году. Но вплотную заниматься разработкой этой идеи начали только в 1970 году. В настоящее время ветрогенератор Дарье считается главным конкурентом ветрогенераторов с обычными ветроколесами.
Его особенность состоит в том, что он использует подъемную силу аэродинамики лопастей, которые в поперечнике имеют форму крыла. Стартовый вращательный момент такого ротора небольшой, а быстроходность высокая. За счет этого его мощность по отношению к собственной массе наибольшая. Это позволяет иметь одну или больше лопастей, и несколько разновидностей формы ротора.
Мощность нынешних ветрогенераторов намного больше, чем у их предшественников – ветряков. Лопасти колес очень легкие и одновременно прочные. Они изготовляются из синтетических материалов или стали. Их производительность зависит не только от скорости ветра, но и способности его улавливать. Увеличение вращения пропеллера вдвое, дает увеличение производства количества электроэнергии в четыре раза.
Конструкция любого вида ветровой электростанции, независимо от мощности, практически одинаковая. Она состоит из мачты, контейнера для генератора и редуктора с ветроулавливателем. Мачта может быть нескольких типов: обычная на растяжках, телескопическая или монолитная. Подвижное крепление контейнера для генератора и ротора позволяет пропеллеру быть постоянно развернутым к фронту ветра.
Вертикально-осевые ветротурбины (ВОВТ), как правило, менее эффективны, чем горизонтально-осевые ветротурбины (ГОВТ), по следующим причинам:
- Лопасть испытывает сопротивление при вращении, т.к. на части траектории она должна двигаться противоположно направлению ветра
- ВОВТ часто установлены на более низкой высоте (земля или крыша здания), где скорость ветра меньше.
- ВОВТ имеют проблемы, связанные с вибрацией, например, шум и более быстрый износ и разрыв опорной конструкции (так как воздушный поток имеет большую турбулентность на низкой высоте).
- Нагрузка на электрогенератор от массы ветротурбины, если она установлена на одном валу с электрогенератором.
Важным параметром ветроколеса является быстроходность. Быстроходность — это отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. У ветротурбин, использующих силу давления ветра, быстроходность всегда меньше 1. К таким ветротурбинам относятся карусельные, чашечные и другие аналогичные типы ветротурбин. Ротор Савониуса имеет быстроходность немного больше единицы потому, что кроме силы давления ветра в нем используется еще и реактивная сила. У ветротурбин, использующих подъемную силу крыла, скорость лопасти больше скорости ветра.
Как это не парадоксально, но чем меньше лопастей в ветроколесе, тем выше его КПД. Это проверено как теоретическими исследованиями, так и продувками в аэродинамической трубе, хотя разница между 1, 2, 3 лопастями незначительна. Однако, с уменьшением количества лопастей также уменьшается момент страгивания и ухудшается работа при низких скоростях ветра. У однолопастных ветротурбин также есть серьезная проблема с балансировкой и надежностью ветроколеса.
Ветрогенераторы с 2-3 лопастями относятся к быстроходным с более высоким КПД и частотой вращения, но при этом у них низкий стартовый момент вращения ротора. Поэтому быстроходные ветрогенераторы выгодно объединять с электрическим генератором, так как электрический генератор имеет высокую частоту вращения (для улучшения массогабаритных характеристик) и низкий пусковой момент. Тихоходные многолопастные ветротурбины обычно работают в связке с водяными насосами, у которых большой момент запуска и меньшая частота вращения. Быстроходные 3-х лопастные ветрогенераторы получили большее распространение, чем 1-2-х лопастные, несмотря на их высокую стоимость. 3-х лопастным ротором генерируется меньше вибрация и выглядит он более эстетично. Поэтому во всем мире оптимальным количеством лопастей горизонтально-осевой ветротурбины признано 3.
От чего зависит мощность ветротурбины?
Мощность ветротурбины зависит от скорости ветра, площади ометаемой поверхности и эффективности ветротурбины. Это основные факторы, влияющие на вырабатываемую ветротурбиной мощность (и, соответственно, энергию). На выработку также влияет турбулентность ветропотока, плотность воздуха, равномерность распределения скорости ветра по ометаемой площади.
Скорость ветра — важнейший элемент в проектировании и использования ветроустановки. Вырабатываемая мощность пропорциональна кубу скорости ветра и квадрату диаметра ротора. Это означает, что при удвоении скорости ветра возможная вырабатываемая мощность увеличивается в 8 раз. Так, ветроустановка, работающая при средней скорости 6 м/с, генерирует мощность на 44% большую, чем при скорости 5 м/с. Если скорость ветра определяется местом, где сооружается ветроустановка, то диаметр ее ротора — это элемент конструкции, величина которого зависит от многих расчетных параметров. Чаще всего решается обратная задача: задается проектируемая мощность ВЭУ и далее определяется требуемый диаметр при определенной расчетной скорости.
где ρ= 1,22 — плотность воздуха (стандартная), кг/м 3
V — скорость ветра, , м/с
ηг·ηм— коэффициенты полезного действия генератора и механической передачи между ветроколесом и генератором,
Cp — коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ), зависящий от профиля лопастей и других режимных параметров, предельное значение которого равно 0,593, а достигнутое в эксплуатации- 0,4-0,45,
А — площадь ветротурбины, в случае пропеллерной турбины вычисляется по формуле:
где D, м- диаметр ротора,π=3,14.
Скорость ветра увеличивается с высотой над уровнем земли, поэтому чем выше мачта ветротурбины, тем более производительной будет ветроустановка.
Ветроустановка состоит из следующих основных подсистем и узлов:
- ротор или лопасти, который преобразует энергию ветра в энергию вращения вала,
- кабину или гондолу, в которой обычно расположен редуктор ( некоторые турбины работают без редуктора),
- генератор и другие электромеханические системы,
- башню или мачту, которая поддерживает ротор и кабину,
- электрическое и электронное оборудование, такие как панели управления, электрические кабели, оборудование заземления, оборудование для подключения к сети, система молниезащиты, система накопления электроэнергии и ее стабилизации, и др.
Как выбрать ветрогенератор?
Распространенная ошибка — выбирать мощность ветроустановки по пиковой мощности нагрузки. Ветрогенератор, также как и солнечные батареи, является источником энергии, а не мощности. Поэтому расчет ветроэнергетической системы ведется в несколько шагов, и желательно, если это сделает специалист.
Для выбора ветрогенератора сначала Вам необходимо определить своё потребление в кВт*часах в месяц, пиковую (суммарную) мощность всех приборов и постараться узнать среднегодовую и среднемесячные скорости ветра в Вашей местности. Последний параметр не всегда возможно определить с достаточной точностью. Даже если вы получите данные по многолетним скоростям ветра от ближайшей метеостанции, не факт, что в месте установки вашей ветротурбины будет именно такая скорость ветра. Поэтому для больших ветростанций необходимо обязательно проводить мониторинг скорости ветра хотя бы в течение одного года, а затем сделать корреляцию полученных данных с данными от ближайшей метеостанции. Для малых ветроустановок такой путь слишком дорог, и очень часто малые ВЭУ устанавливаются на страх и риск хозяина. В таких случаях обычно, если ветра недостаточно, признается, что решение об установке ветротурбины было ошибочным. Если же ветер хороший, то следующим шагом обычно является увеличение мощности малой ветростанции.
Для получения электричества в необходимом объёме нужно понимать, что количество вырабатываемой ветряком энергии напрямую зависит от ометаемой ветротурбиной площади или максимального сечения ветротурбины. Для минимального обеспечения пары лампочек, ТВ, холодильника, электрочайника — диаметр ветряка должен быть не менее 2,5 метров при средних по силе ветрах.
Упрощенная формула расчета реально отдаваемой ветром мощности в зависимости от скорости ветра и диаметра винта:
Р = D 2 V 3 /7000, кВт,
Некоторые производители представляют результаты продувок своих ветроэлектрических установок по мощности в аэродинамической трубе. Это хорошо, и говорит о серьезном подходе к делу. Однако, необходимо учитывать, что мощность в аэродинамической трубе и в природе на ветру отличаются примерно на 10-30% вследствие идеализации воздушного потока в трубе. Реальный поток ветра имеет турбулентности, которые существенно ухудшают параметры ветроколеса.
Мощность, вырабатываемая ветрогенератором, пропорциональна кубу скорости ветра. Это означает, что мощность ветрогенератора на слабых ветрах (даже если он вращается) очень мала. Но, с усилением ветра, идет резкое нарастание мощности. А поскольку ветер на практике дует с постоянной скоростью и направлением только в аэродинамической трубе, понятно, что мощность, вырабатываемая ветрогенератором, является постоянно меняющейся по времени величиной. Поэтому любая энергетическая система с использованием ветрогенератора в качестве источника энергии должна иметь стабилизирующее звено.
В малых автономных системах роль такого звена обычно играет аккумуляторная батарея. Если мощность ветрогенератора больше мощности нагрузки, батарея заряжается. Если мощность нагрузки больше – батарея разряжается. Из этого следует следующая важная особенность ветрогенератора, как источника мощности: если большинство других источников выбираются по мощности пиковой нагрузки, ветрогенераторы следует выбирать, исходя из величины потребления электроэнергии в месяц (или в год, как кому нравится).
Проиллюстрируем это на примере. На берегу моря, где средняя скорость ветра приближается к 6 м/с, стоит домик, куда приезжает семья из трех человек на выходные. Электрооборудование включается тоже только на выходные. В день потребление достигает 15 кВт*ч, при этом пиковая нагрузка – до 3 кВт. Следовательно, в месяц потребление энергии равно 120 кВт*ч. При среднегодовой скорости ветра 6 м/с выработку 120 кВт*ч в месяц может обеспечить небольшой 700-ваттный ветрогенератор. Кроме того, для аккумулирования энергии в течение 5 дней потребуется батарея большой емкости, и инвертор (который преобразовывает постоянное напряжение батареи в стандартное переменное) мощностью 3 кВт, чтобы обеспечить пиковые нагрузки.
Как можно видеть, в каждом из вышеописанных случаев мощность ветрогенератора отличается в разы от пиковой мощности нагрузки. Мощность пиковой нагрузки определяет мощность преобразователя. Сам ветрогенератор определяет только величину выработки в определенный временной промежуток при определенной среднемесячной скорости ветра. Кроме средней скорости ветра, существуют более подробные вводные данные для оценки ветровых ресурсов, называемые параметрами распределения Вейбулла, которые отражают распределение длительности ветра определенной силы для данного места, они используются при проектировании ветропарков мощностью в десятки МВт.
В каких случаях выгодно использовать ветрогенератор?
Ветровые электростанции установки наиболее выгодно использовать в местах, где невозможно провести общую электросеть, или соединение является очень затратным, а также — в местах с частыми отключениями электричества. Ветровые электростанции смысл устанавливать, если в месте становления среднегодовая скорость ветра превышает 3 м/с.
В общем случае, при среднегодовой скорости ветра более 4 м/с на высоте 10 м (на этой высоте на метеостанциях устанавливаются анемометры — приборы, измеряющие скорость ветра) возможно эффективное применение ветроустановок, а ветер с меньшей скоростью годится для водоподъемных устройств.
Хорошими ветровыми условиями в России обладают следующие субъекты РФ: Архангельская, Астраханская, Волгоградская, Калининградская, Камчатская, Ленинградская, Магаданская, Мурманская, Новосибирская, Пермская, Ростовская, Сахалинская, Тюменская области, Краснодарский, Приморский, Хабаровский края, Дагестан, Калмыкия. Карелия, Коми. Ненецкий автономный округ, Хакасия, Чукотка, Якутия, Ямало-Ненецкий автономный округ.
По опыту эксплуатации ветропарков, установленных в Российской Федерации, их КИУМ в среднем равен 12%. Как видим, российские ветропарки имеют невысокий КИУМ. Это связано как с невысокой среднегодовой скоростью ветра в местах их установки, так и с большим временем простоя.
Какие нужны документы и разрешения для установки ветрогенератора?
Импортируемые ветроустановки не подлежат сертификации. Вы можете без проблем установить на своей территории для себя ветрогенератор мощностью до 75 кВт и высотой до 30 метров для личного некоммерческого использования. Для этого не нужны никакие документы, справки или разрешения.
Обсуждения по теме с нашего форума
Эта статья прочитана 53424 раз(а)!
Продолжить чтение
В 2001 году Интерсоларцентр совместно с партнерами по ОПЭТ (ETSU и WREAN, Англия) подготовил руководство по применению малых и средних ветроэнергетических установок. Эксперты компании "Ваш Солнечный Дом" принимали участие в подготовке этого Руководства на русском языке. За основу было принято…
Вопросы и ответы по использованию ветрогенераторов
Автономные ветроэлектрические установки Предупреждаем пользователей об обязательном соблюдении законодательства по авторскому праву, в соответствии с которым полученные копии документов разрешается использовать только для научных и образовательных целей. Запрещается тиражировать полученные копии документов, передавать на любой основе копии документов другим лицам…
Ветроэлектрические станции Одним из перспективных направлений развития возобновляемой энергетики является ветроэнергетика. Использование энергии ветра не только помогает решить многие проблемы энергоснабжения удаленных объектов и загородных домов, но и получить независимость от местных энергоснабжающих организаций. Поставив на своём участке хотя бы…
Читайте также: