Ветряной двигатель история создания кратко
Обновлено: 17.05.2024
История применения и значение энергии ветра в истории цивилизации. Устройство первых ветроэлектростанций. Использование энергии ветра в ХХ веке. Устройство и принцип работы ветряка Джеймса Блита, ветроэлектростанции Чарльза Браша, турбины Поль Ла Кура.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 31.10.2015 |
| Размер файла | 4,5 M |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
1. Историческая справка
1.1 Первые упоминания использования энергии ветра
По данным М.В. Колодина и Я.И. Шефтера первые простейшие ветродвигатели применяли в глубокой древности в Египте и Китае.
В Египте около г. Александрия до сих пор сохранились остатки каменных ветряных мельниц барабанного типа с вертикальной осью вращения. Каменная кладка сохранившихся частей мельниц говорит о том, что они были построены еще во 2-1 веках до н.э.
Представим себе горизонтальное бревно -- вал с двумя крестовинами на концах. К крестовинам прикреплены продольные доски-лопасти. Вал помещается в двух опорах, укреплённых на столбах. Ветроколесо такого простейшего ветродвигателя очень похоже на общеизвестное водяное колесо, работа его также напоминает работу водяного колеса. Лопасти такого ветродвигателя ниже вала прикрываются щитом. Если поместить теперь вал поперёк ветра, то ветер будет давить лишь на верхние лопасти ветродвигателя. Нижние лопасти не будут испытывать давления ветра, так как их прикрывает щит. Благодаря этому лопасти начнут под действием ветра вращаться и будут вращать вал. Такие ветровые машины называются барабанными ветродвигателями: они раньше применялись там, где ветер часто дует в одном направлении.
В 7 веке н.э. в Персии были построены более совершенные конструкции - крыльчатые карусельные ветродвигатели. Использовавшаяся конструкция идентична барабанному ветродвигателю, но с расположенной вертикально осью вращения. У таких ветродвигателей лопасти имеют самую разнообразную форму. Порой отличались очень низким коэффициентом полезного действия, несмотря на то, что лопасти изготавливались из легкого дерева и материи. Причина их неэффективности состояла в том что многими народами была забыта иновационная составляющая -заслонка одной половины вала. В результате сила ветра, толкающая одну половину колеса с лопастями, тормозила вторую половину. Эти мельницы первоначально использовались в качестве двигателей для насосных станций, подающих воду для бытовых нужд и орошения полей. Использование такой мельницы получило впоследствии повсеместное распространение в странах Ближнего Востока.
Позднее была разработана мельница с горизонтальной осью вращения, которая состояла из десяти или более деревянных стоек, оснащенных поперечными парусами.
энергия ветер ветроэлектростанция
Особенно широко были распространены ветряные мельницы и ветронасосные установки в Голландии. С помощью ветронасосных установок эта маленькая страна постоянно отвоёвывала свою землю у наступающего моря.
Так же в Голландии был создан свой оригинальный тип ветряного двигателя, массивная башня которого была неподвижна, а на ветер поворачивалась вместе с ветровым колесом её верхняя часть или шатёр. Такие ветряные двигатели получили название шатрового или голландского типа. Ветродвигатели в развитии хозяйства Голландии сыграли огромную роль.
1.2 Применение и значение энергии ветра в истории цивилизации
Мукомолье это единственный вид сельскохозяйственного производства, где энергия ветра используется с незапамятных времён. Но известно и множество других примеров её (энергии) применения.
В Китае, Персии и на острове Крит явно найдены свидетельства того, что ветряки здесь использовались не только для перемола зерна, но и подачи воды на поля и в дома.
В 14 столетии голландцы стали ведущими в усовершенствовании конструкций ветряных мельниц и широко использовали их с этих пор для осушения болот и озер в дельте реки Рейн. В 1582 г. в Голландии была построена первая маслобойня, через 4 года первая бумажная фабрика. Оба предприятия использовали энергию ветра. Конструктивное решение в этих случаях было примерно таким: к нижней части вертикального вала через дополнительную металлическую или деревянную зубчатую передачу подключается горизонтальный вал. На нём размещаются рабочие шкивы для привода различных машин.
В 1714 г. француз Дю Квит предложил использовать пятилопастное карусельное ветроколесо, установленное на треноге, для вращения гребных колес судна. Гениальность этой идеи состояла в том, что такое судно могло свободно двигаться в любом направлении независимо от направления ветра. Однако в начале 20 века ветряки использовали для эксплуатации дополнительного оборудования на судах, например для подъема якоря или работы помп.
Таким образом, основные принципы работы ветродвигателей, используемые и в современности, были изобретены очень давно. Инженерная мысль на основе современных знаний находит применение этим принципам в самых разных областях. Открытие электричества, изобретение генератора стали новым стимулом к совершенствованию ветряных двигателей. Несомненно, что идея использовать силу ветра для выработки электроэнергии приходила в голову не одному инженеру.
И вот наконец в 1888 году в США Чарльзом Брашем был создан первый ветрогенератор для производства электричества, он был очень большим: диаметр ротора был равен 17 метрам и ротор имел 144 лопасти, изготовленные из кедра. Турбина проработала 20 лет, в течение которых заряжала батареи в подвале под ней. Несмотря на внушительные размеры турбины, на ней был установлен генератор мощностью всего 12 кВт.
2. Первые ветроэлектростанции
2.1 Ветряк Джеймса Блита
Первый ветряк, использующийся для производства электроэнергии, был построен в Шотландии в июле 1887 г. профессором Джеймсом Блит в колледже Андерсона. Его диаметр был равен 10 метрам. Он была установлен в саду его коттеджа и использовался для зарядки аккумуляторов , разработанных французом Камиль Альфонс Фором. Аккумуляторы в свою очередь были нужны для питания освещения в коттедже. Блит предложил излишки электроэнергии для освещения главной улицы, однако, жители отклонили предложение, поскольку они думали, что электричество было "работой дьявола." Несмотря на это, Блит построил ветряные турбины для поставки аварийного питания местного лазарета и диспансера. Никто не обратил внимания на его изобретение, посчитав их экономически невыгодными.
2.2 Ветроэлектростанция Чарльза Браша
В течение зимы 1887-88 гг. Браш сконструировал и построил первую автоматически управляемую ветровую турбину для производства электроэнергии. Её он и использовал на ветроэнергоустановке, которую удалось возвести в конце 1888 года. Вот некоторые её характеристики:
диаметр ротора: 17 метров
высота башни: 18 метров
количество лопастей: 144
мощность: 12 кВт
материал лопастей: кедр (этот материал был выбран благодаря способности выдерживать большие нагрузки на сжатие, растяжение и изгиб. Кроме того он не поддается влаге и не разъедается жучками. Кедровая древесина почти не подвержена гниению, чревоточине.)
2.3 Турбина Поль Ла Кура
В Дании в 1891 г. Дан Поль Ла Кур разработал и построил ветряную турбину, вырабатывающую до 25 кВт, для выработки электроэнергии. Он применял ее для производства водорода посредством электролиза. Водород он использовал в своих экспериментах и более наглядного преподавания в средней школе деревни Askov, в которой он работал. В том же году он попытался организовать компанию по продаже электричества. Однако бизнес по продаже энергии ветра не получился. Позже, усовершенствовав свое изобретение и добившись более стабильной выработки энергии, он переделал свой ветряк в прототип электрической электростанции, которая была использована в 1895 году для освещения деревни Askov.
В его изобретениях числится так же электропривод с генератором, позволявшим подключаться к наиболее эффективным по своей конструкции на то время ветряным мельницам и вырабатывать электричество.
Несмотря на коммерческие неудачи изобретателя, его установка считается первым электроветряком современного типа.
3. Двадцатый век
Развитие в 20 веке можно разделить на периоды:
1900-1973, когда ветрогенераторы использовались в случае если поблизости не было ископаемого топлива или рек, а расстояние до центральной энергосети слишком далеко.
1973-наше время, когда нефтяной кризис стимулировал поиски альтернативных видов энергии.
3.1 Ветроэнергетика в России
В 1918 году получением электричества с помощью ветра заинтересовался профессор В. Залевский. Он создал теорию ветряной мельницы и сформулировал ряд принципов, которым должен отвечать ветрогнератор. В 1925-м профессор Н. Жуковский организовал отдел ветряных двигателей в Центральном аэрогидродинамическом институте. В 30-х годах двадцатого века руководство Советского Союза всерьез озаботилось использованием энергии ветра. Было налажено производство ветроустановок мощностью 3-4 кВт, причем выпускались они сериями.
Самую первую ветроэлектрическую станцию в СССР установили в 1930 году в городе Курске. Разработал ее Анатолий Георгиевич Уфимцев, причем ветроэлектростанция строилась на средства самого изобретателя.
Это сооружение имеет:
- раскреплённую вантами башню ферменной конструкции высотой 42 м с площадкой;
- ветросиловую установку, состоящую из трёхлопастного ветроколеса диаметром 10 м, имеющего механизм (первый в мире) управления шагом лопастей, и флюгерные лопасти;
- инерционно-кинетический аккумулятор, выполненный в виде диска диаметром 95 см и массой 328 кг, помещённого в кожух с разреженным воздухом;
- динамомашину постоянного тока мощностью 3,5 кВт (220 В, 16 А) при 1580 об/мин.
В 1931 году в СССР заработала самая крупная на тот момент в мире Ялтинская ВЭС мощностью 100 кВт.
Строительство и установка ветрогенераторов шло высокими темпами вплоть до начала 60-х. Достаточно сказать, что с 1950 по 1955 годы Союз выпускал до 9 тысяч ветроустановок ежегодно. Когда осваивалась целина в Казахстане, советские люди соорудили первую многоагрегатную ВЭС, работавшую совместно с дизелем; общая мощность данной установки составляла 400 кВт.
Однако к концу 60-х ветроэнергетика Советского Союза уступила место крупным ТЭС, ГЭС и АЭС, и серийное производство "ветряков" было свернуто. К ВЭС вернулись в 90-е годы ХХ века, не в пример США и Европе.
Подобные документы
История использования энергии ветра. Современные методы генерации электроэнергии, конструкция ветрогенератора с тремя лопастями и горизонтальной осью вращения. Мировые мощности ветряной энергетики, проблемы, экологические аспекты и перспективы развития.
реферат [580,7 K], добавлен 21.11.2010
История использования энергии ветра; современные методы генерации электроэнергии. Малая ветроэнергетика в России: экономические и экологические аспекты. Ветряные электростанции Германии; поставщики ветрогенераторов. Потенциал ветроэнергетики Китая.
реферат [1,4 M], добавлен 15.06.2013
История использования и современные методы генерации электроэнергии из энергии ветра. Перспективы развития ветроэнергетики в мире, экономические и экологические аспекты, себестоимость электроэнергии. Проект "Джунгарские ворота" в Казахстане, его цель.
реферат [835,1 K], добавлен 01.03.2011
Существующие источники энергии. Мировые запасы энергоресурсов. Проблемы поиска и внедрения нескончаемых или возобновляемых источников энергии. Альтернативная энергетика. Энергия ветра, недостатки и преимущества. Принцип действия и виды ветрогенераторов.
курсовая работа [135,3 K], добавлен 07.03.2016
Ветер как источник энергии. Выработка энергии ветрогенератором. Скорость ветра как важный фактор, влияющий на количество вырабатываемой энергии. Ветроэнергетические установки. Зависимость использования энергии ветра от быстроходности ветроколеса.
ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ — двигатель, преобразующий энергию ветра в электрическую или механическую работу. Основным элементом ветродвигатель является ветроколесо. Теоретические основы работы ветродвигатель были заложены творцом аэродинамики, великим русским ученым И. Е. Жуковским.
В 1914—18 он создал теорию ветродвигателей и нашёл, что коэфициент использования энергии ветра идеальным ветродвигателем, работающим без потерь, равен 0,593 .
Его учениками, советскими ветроэнергетиками, выполнен ряд оригинальных теоретических и экспериментальных работ по ветродвигателям и их применению в народном хозяйстве. Эти работы составляют сейчас основу развития советской ветротехники, которая в научном отношении занимает первое место в мире. К изучению явлений, происходящих при прохождении воздушного потока через ветроколесо, применяют теорию крыла и винта самолёта, разработанную русскими учёными.
Энергия потока воздуха, протекающего через сечение площадью F , равна
Классы ветродвигателей
По принципу работы ветроколеса и схеме его устройства ветродвигатель разделяются на три класса:
Крыльчатый ветродвигатель
Крыльчатые ветродвигатели (рис. 1, а) имеют ветроколесо с лопастями, расположенными перпендикулярно к валу. Лопасти закрепляются на махах под некоторым углом к плоскости вращения ветроколеса.
лобовое давление. Лопасти современных ветродвигатель имеют в сечении обтекаемый профиль. Величина использования ветра ξ крыльчатых ветродвигателей достигает 0,42, а в среднем равна 0,30.
Карусельные, или роторяме, ветродвигатель
Карусельные, или роторные, ветродвигатель (рис. 1,6) имеют ветроколесо, вал которого устанавливается вертикально. Такое ветроколесо приводится во вращение действием ветра па лопасти, расположенные по одну сторону оси ветроколеса, в то время как другие лопасти прикрываются ширмой А, либо поворачиваются специальным приспособлением ребром к ветру. В этой системе рабочие лопасти движутся в направлении ветра; т. к. они не могут опережать его, карусельные ветродвигатель отличаются тихоходностью.
Ометаемая поверхность этих ветродвигатель определяется произведением диаметра (Д) ротора на его высоту (Н). Ветродвигатель этого класса громоздки и мало эффективны. Наибольший ξ (коэфициент использования ветра), равный 0,18, имеет роторный ветродвигатель с двумя полуцилиндрическими лопастями (рис. 1).
Ветродвигатель барабанного типа
Ветродвигатель барабанного типа (рис. г) имеют горизонтальный вал и такое же устройство ветроколеса, что и роторные с ширмой А, прикрывающей лопасти с одной стороны ветроколеса. Л. этой системы присущи те же недостатки, что и роторным ветродвигателям. В настоящее время широкое распространение получили крыльчатые ветродвигатели: многолопастные — тихоходные и с малым числом лопастей — быстроходные.
На рис. 2 приведены характеристики различных систем ветродвигателей.
Вверх отложены кривые изменении 5,а линз — кривые — М изменения относительных моментов
в зависимости от быстроходности, которая определяется отношением окружной скорости wR внешнего конца лопасти к скорости ветра. Эти кривые показывают, что роторные ветродвигатель обладают наименьшим 5 и наименьшей быстроходностью.
Многолопаствые крыльчатые ветродвигатель обладают высоким;, большим моментом М, но тихоходны. Крыльчатые ветродвигатели с малым числом лопастей имеют высокий ξ , малый момент при пуске в работу и быстроходны.
Как видно из графика, ξ крыльчатых ветродвигателнй с различным числом лопастей почти одинаковы. Это указынает на то, что мощность крыльчатых ветродвигателей не зависит от числа лопастей, а зависит только от диаметра ветроколеса, профиля и формы лопастей. Но момент М и быстроходность сильно зависят от числа лопастей ветроколеса или, вернее, от суммарной поверхности лопастей ветроколеса. Указанные аэродинамические свойства ветродвигателей опредопределяют их область применения в народном хозяйстве.
Крыльчатые В, (схема показана на рис, 3) имеют ветроколесо, закреплённое на горизонтальном валу, вращающемся в двух подшипниках, с монтированных в головке ветродвигателя. Вращение ветроколеса передается вертикальному валу через пару конических шестерён (верхний редуктор). Головка ветродвигателя монтируется на башне, высота которой берётся с расчётом выноса ветроколеса выше окружающих препятствий, искажающих поток воздуха; она может поворачиваться около вертикальной оси. Позади головки закреплён хвост для установки ветроколеса на ветер. Вертикальный вал у основания башни присоединяется к нижнему редуктору, от которого приводятся в действие машины, потребляющие энергию. Установка ветроколеса на ветер может осуществляться не только указанным способом, но и другими. У простейших ветряных мельниц ветроколесо устанавливается на ветер вручную — водилом (рычагом), закрепляемым позади головки ветродвигателя. У мощных ветродвигатель применяют многолопастные ветрянки, называемые виндрозами (рис. 4). Виндрозы (одна или две) монтируются на раме позади головки ветродвигатель так, чтобы их плоскость вращения была перпендикулярна плоскости вращения вотроколеса. При изменении направления ветра виндрозы начинают вращаться и через шестеренчатую передачу поворачивают головку до тех пор, пока сами не выйдут из-под ветра, а ветроколесо не станет на ветер. Мощность ветродвигатель без регулирующего устройства увеличивается или уменьшается пропорционально кубу скорости ветра, что приводит к неравномерной работе потребляющих энергию машин.
Для устранения этого недостатка в современных ветродвигателях применяется автоматическое регулирование скорости вращения ветроколеса, основанное на использовании наивыгоднейших скоростей ветра. Наивыгоднейшими скоростями ветра являются такие скорости, при которых может быть получена максимальная годовая выработка энергии. Эти наивыгоднейшие скорости зависят от среднегодовых скоростей ветра. В районах со среднегодовыми скоростями ветра от 3 до 5 м/сек. максимальная годовая выработка получается при наивыгоднейших скоростях ветра от 6 до 8 м/сек. Поэтому для этих районов установочную (расчётную) мощность ветродвигателя следует считать при скорости ветра 8 м/сек.; для районов со среднегодовыми скоростями ветра от 5 до 7 м/сек .— при рабочей скорости ветра 10 м/ сек., для районов со среднегодовыми скоростями ветра выше 7 .м/сек. установочную мощность ветродвигатель считают при скорости ветра 14 м/сек.
Указанные скорости ветра принимаются как расчётные для определения начала регулирования. Действием регулирующих устройств число оборотов, а следовательно, и мощность ветродвигатель удерживается приблизительно постоянной при скоростях ветра выше наивыгоднейших, а при меньших скоростях ветродвигатель работают с переменной мощностью, как показано в таблице 1. Цифры для таблицы 1 получены из условия, что у ветродвигателz с диаметром ветроколеса от 3 до 18 м число оборотов ветроколеса ограничивается при скорости ветра выше 8—9 м/сек.; у ветродвигатель с диаметром ветроколеса от 18 .и и больше ограничивается при скоростях ветра выше 10 .м/сек.
Устройство и системы регулирования ветродвигателей
Имеются две принципиально различные системы регулирования ветродвигателей советских конструкций:
1) выводом ветроколеса из-под ветра;
2) поворотом лопасти или части её около оси маха крыла.
Регулирование выводом ветроколеса из-под ветра, применяемое обычно для многолопастпых ветродвигателей, осуществляется двумя способами: давлением ветра па дополнительную поверхность — лопату регулирования (рис. б – левая часть); давлением па ветроколесо, смещённое относительно оси поворота головки (рис. 5 — правая часть). При регулировании но первому способу позади ветроколеса, на головке ветродвигатель устанавливается лопата регулирования, выступающая за пределы окружности, описываемой ветроколесом. На противоположной стороне к рычагу головки ветродвигателя и к ферме хвоста прикрепляется пружина. Под действием ветра на поверхность лопаты регулирования головка ветродвигатель поворачивается около вертикальной оси и выводит ветроколесо из-под ветра, в то время как хвост, будучи шарнирно соединён с головкой, удерживается примерно параллельно направлению ветра.
Обратно в рабочее положение ветроколесо устанавливается усилием пружины. Для остановки ветродвигателя служит трос, который закреплён па ферме хвоста и через ролик протянут к специальной муфте, скользящей по опорной трубе головки ветродвигателя, а от неё к ручной лебёдке, смонтированной у основания башни. При натяжении троса лопата регулирования притягивается к хвосту, при этом ветроколесо, как показано на рис. 5 (внизу), устанавливается ребром по потоку и останавливается. При освобождении троса ветроколесо устанавливается на ветер пружиной. При регулировании по второму способу давление ветра действует на плече а, благодаря чему головка поворачивается относительно оси башни; при этом ветроколесо выводится из-под ветра. В обратное положение ветроколесо устанавливается пружиной, прикреплённой одним концом к рычагу головки, другим — к хвосту. Регулирование поворотом лопасти или части её применяют для быстроходных ветродвигатель с малым числом лопастей.
Такая схема регулирования, системы Г. X. Сабинина и Н. В. Красовского, показана па рис. 6. Лопасть крыла имеет две части: поворотную 1 и жёстко закреплённую 2. Длина поворотной части составляет от 1/4, до 1/3 длины всей лопасти. На поворотной части лопасти смонтирован стабилизатор 3, поворачивающийся на оси между двумя стойками. При увеличении числа оборотов выше расчётных рычаг 6 под действием центробежных сил тяги 4 и груза 5 поворачивает стабилизатор 3 па некоторый угол. На стабилизаторе возникает аэродинамическая сила, которая, будучи приложена на плече в, легко поворачивает конец лопасти относительно маха 7, представляющего собой трубу, на которой закреплена остальная часть лопасти. Конец лопасти, поставленный под некоторым углом к неподвижной её части, создаёт сопротивление, вследствие чего ветроколесо несколько затормаживается. При снижении числа оборотов регулирующая пружина 5 через рычаг 9 и тягу 4 поворачивает стабилизатор, а с ним и конец лопасти, в обратном направлении. Для остановки ветродвигателя при помощи троса 10 поворачивается рычаг 11, который перемещает муфту 12. Эта муфта действует на муфту 13, перемещая её вперёд. Рычаг 9 толкает тягу 4, и рычаг 6 поворачивает стабилизатор 3 на некоторый угол, конец лопасти устанавливается почти параллельно потоку, и ветроколесо останавливается (рис. 6, вверху).
A.Г. Уфимцев и В. П. Ветчинкин предложили ветродвигатель , у которого лопасть поворачивается за счёт давления на неё воздушного потока. Для этого мах крыла располагают ближе к носку поворотной лопасти. Вследствие смещения центра давления на некоторое расстояние от оси поворота, ближе к хвостовой части лопасти, она стремится стать ребром к потоку. Пружина или груз возвращают лопасть в рабочее положение. Дополнительным регулирующим устройством этого ветродвигателя является массивный диск, смонтированный на оси генератора. Этот диск, называемый инерционным аккумулятором, предложен А. Г. Уфимцевым в 1918; он выполняет роль маховика, накапливающего энергию движения, которую отдаёт генератору в моменты снижения скорости ветра, поддерживая, т. о., некоторое постоянство напряжения.
Bетродвигатель с инерционным аккумулятором
Bетродвигатель с инерционным аккумулятором по качеству вырабатываемой электроэнергии занимает первое место среди современных ветродвигателей отечественного и заграничного производства. Такой ветродвигатель типа 1-Д-18 имеет трёхлопастное ветроколесо диаметром 18 м. Махи крыльев могут свободно поворачиваться на шарикоподшипниках, смонтированных в опорах. Лопасти имеют обтекаемый профиль. Вал ветроколеса подключен к двухступенчатому редуктору с передаточным отношением 1 : 9. Нормальное число оборотов ветроколеса равно 40 об/мин., следовательно вертикальный вал делает 360 об/мин. На вертикальном валу имеется муфта свободного хода, через которую приводится во вращение нижний одноступенчатый редуктор с передаточным отношением 1 : 1. Редуктор вращает нижний конец вертикального вала и трансмиссию, от которой через шкив приводится во вращение генератор. Вал присоединён к редуктору с планетарной передачей, увеличивающей число оборотов в 6 раз.
Этот редуктор передаёт вращение инерционному аккумулятору, представляющему собой стальной диск диаметром 1250 мм., толщиной 160 мм и весом 1460 кг. Общее передаточное отношение оборотов ветроколеса к палу диска инерционного аккумулятора равно 9X6. Следовательно, при нормальных оборотах ветроколеса диск аккумулятора делает 40X54 = 2100 об/мин. Он вращается в кожухе, который смонтирован на шарикоподшипниках на валу диска. Кожух увлекается трением в подшипниках и трением воздуха о стенки кожуха, что сокращает потери на трение диска аккумулятора о воздух более чем в дна раза. ветроколесо Рис. 9.
Конструктивные особенности современных ветродвигатель зависят от условий эксплуатации, которые определяют технические. требования на тот или иной тип ветродвигатель Так, подъём воды из глубоких колодцев и скважин обычно производит одноходовым поршневым насосом, создающим большой момент нагрузки в начале работы и требующим малого числа ходов в минуту. В соответствии с этими условиями создан ветродвигатель, имеющий многолопастное тихоходное ветроколесо, обладающее большим пусковым моментом. Ветроколесо имеет 6 спиц, закреплённых на ступице болтами, и два обода из полосового железа, образующих каркас, на котором болтами закреплены 24 лопасти из листовой оцинкованной стали (рис. 8).
Угол на внешнем конце лопасти ранен 17°, а на внутреннем — 45° к плоскости вращения ветроколеса. Вращательное движение ветроколеса преобразуется и поступательное движение штанги насоса кривошипным механизмом. Установка ветроколеса на ветер осуществляется ври помощи хвоста. Регулирование оборотов и мощностей ветродвигатель производится выводом ветроколеса из-под ветра по второму способу. Штанга кривошипного механизма проходит но оси башни к поршневому насосу. При ветродвигатель, поднимающем ходу, обычно сооружается водонапорная башни или бак для запаса воды на дни безветрии. Ряд процессов производства в сельском хозяйстве выполняется быстроходными машинами (центробежные насосы, генераторы, молотковые дробилки, жерновые поставы и пр .), имеющими малый момент трогания. В этих случаях применяются быстроходные ветродвигатели, у которых ветроколесо имеет две, или три лопасти, закрепляемые на валу (рис. 9). Вращение ветроколеса передаётся через верхний редуктор вертикальному валу, который у основании башни присоединяется к нижнему редуктору с двумя шкивами. Если ветродвигатель обслуживает одну машину, то она приключается непосредственно к шкиву редуктора. Если же ветродвигатель предназначен для обслуживании нескольких машин, то они приводится в движение через трансмиссию.
Промышленностью СССР выпускала два тина многолопастпых ветродвигателей: ТВ-5 (рис. 8) мощностью 2,5 л. с. н ТВ-8—6,5 л. с., а также дна тина быстроходных ветродвигателей: ВИМ-Д-12 — 14,5 л. с. (рис. 9), Д-3,5—1,4 л. с., с оператором на головке В. Ветродвигатель конструкций ВПМ-ГУСМП Д-18, ЦАРИ 1 -Д-18 (рис. 10) мощностью 38 л. с. (ври скорости ветра 8 м/сек.) выпущены малой серией. Эти два тина ветродвигатель предназначаются для электрификации с. х-ва. Возможность применения ветродвигателей для электрификации в районах, удалённых от промышленных центров, доказана практическим многолетним опытом эксплуатации ветродвигателей ВИМ Д-5 и Д-12 в Арктике. Быстроходный ветродвигатель Д-12, Д-18 и 1-Д-18 могут быть с успехом применены дли элоктрификации и механизации в местной промышленности и в с. х-ве.
Основной задачей при разработке передачи движении от ветродвигателя к машинам, потребляющим мощность, является выбор правильного передаточного отношения. Чтобы точно решить эту задачу, необходимо знать рабочие характеристики ветродвигатель и подключаемой к нему машины. Эти характеристики отражают изменение мощности, развиваемой ветродвигателем и потребляемой рабочей машиной, в зависимости от числа оборотов ветродвигателя Максимальную мощность при данной скорости ветра ветродвигатель развивает при определённом числе оборотов ветроколеcа (рис. 11).
Она будет полностью использована рабочей машиной, если её нагрузка соответствует этой мощности, а передаточное отношение обусловливает число оборотов, при к-ром кривые характеристик машин будут проходить через вершины кривых мощности ветродвигателя, как показано кривой А на рис.11 при излишне высоком передаточном отношении кривая характеристики машины будет соответствовать кривой , и работа ветродвигатель будет неустойчива. При малом передаточном отношении кривая характеристики машины совпадает с кривой Г. и ветродвигатель будет работать с недогрузкой, т. е. о малым коэфициентом использования энергии ветра. Примерное количество энергии в л. с./ч., вырабатываемое ветросиловыми установками за год в зависимости от среднегодовых скоростей ветра, приведено в таблице 2.
Непостоянство силы ветра по времени является основным препятствием к широкому применению её в ряде процессов производства и требует аккумулирования энергии. Существующие электрические аккумуляторы дороги и практически но могут быть использованы в установках мощностью свыше 5 квт. ветродвигатель может аккумулировать энергию ветра в самом продукте, производимом им в запас. К таким производствам можно отнести помол, заготовку кормов для скота, подъем воды в водонапорную башню, заготовку брикетов, пиломатериалов и т. н. На этих видах работ энергия ветра может бить выгодно использована как непосредственно через механический привод, так и через электропривод (см. Ветроэлектрическая станция). Здесь представляется возможность использовать всю энергию ветра, протекающую через ветрокелёса, и работать всё время, когда есть ветер.
История ветроэнергетики начинается сотни лет назад, когда люди начали строить ветряные мельницы для того, чтобы накачать воду для орошения сельскохозяйственных культур и превратить зерно в муку.
Археологи утверждают, что первые ветряные мельницы были построены на территории Ближнего Востока примерно в IX веке на границах между современным Афганистаном и Ираном. Это были мельницы с вертикально ориентированной осью, вертикальными валами и лопастями прямоугольной формы, на которые была натянута плотная ткань. Функцией таких мельниц были помол зерна и насосная подача воды . Более поздние свидетельства использования энергии ветра ученые находят на Ближнем Востоке и Средней Азии, в Китае и Индии.
Первую ветроэнергетическую установку построил в 1887 году шотландский профессор Джеймс Блайт . Десятиметровый ветряк, установленный на участке его
Более сложный и крупный ветряк для выработки электроэнергии был построен в конце 1800-х годов в Кливленде, штат Огайо.
Чарльз Браш спроектировал и построил ветряную турбину на восемнадцатиметровой опорной башне, с ротором 17 метров в диаметре, состоящим из 144 деревянных лопастей. Этот гигант выдавал 12 кВт электроэнергии и прослужил верой и правдой с 1886г. до 1900 года. До тех самых пор, пока в Кливленде не построили теплоэлектростанцию.
Самое динамичное развитие ветровой энергетики в 20м веке наблюдалось в Дании. Так, к 1908 году уже было построено 72 ветряка мощностью от 5 до 25 кВт. Конструкция легкого ветряка с тремя лопастями и направлением на ветер, характерная для этой ветреной страны, теперь стала классикой!
1931 год — год рождения ветрогенератора с вертикальной остью. Французский изобретатель Дарье своим инженерным решением убил сразу двух зайцев: теперь ветряк мог работать при любом направлении ветра, а тяжелый редуктор и генератор теперь можно было размещать на земле. Это позволило сэкономить на материалах и обслуживании ветроустановки .
Предшественником современных ветряков был советский ветряной двигатель около Ялты, работавший с 1931 по 1942 год. Он обладал мощностью 100 кВт и был подсоединен к местной распределительной системе напряжением 6,3 кВ. Следует отметить, что его годовой коэффициент нагрузки был 32%, что весьма близко к показателям современных установок.
Перенесемся ближе к нашему времени. 17 октября 1973 год. Страны ОПЕК прекратили поставки нефти странам поддерживающим Израиль в Войне Судного дня. В течение следующего года цена на нефть поднялась с трёх до двенадцати долларов за баррель. Это дало новый толчок для развития энергии ветра. США и Европейские страны резко увеличили финансирование исследований и производства оборудования для альтернативной энергетики.
Результатом этого стали многочисленные технологии сооружения ветряков, мощность которых исчисляется мегаваттами. Сюда можно отнести использование генераторов с регулируемой частотой вращения, составные материалы для лопастей, аэродинамическое и акустическое проектирование. С этого момента стало возможным использование энергии ветра в крупных масштабах.
В настоящее время, мы можем видеть ветровы е турбин ы в о многих местах, прибрежные районы очень подходят для таких машин, и даже морские районы являются хорош им место м , чтобы использовать силу ветра.
В последнее время , появился новый вид ветроустановок : плавающи е ветровы е турбин ы . Э ти машины созданы для использования в отдаленных районах, где рядом нет источника энерги и. Такие инженерные решения могут предложить подключение к Интернету для этих удаленных и изолированных район ов.
Ветровые ресурсы нашей страны еще предстоит освоить! Наличие пока дешевого газа и электроэнергии на сегодня делает экономически нецелесообразным развитие альтернативной энергетики. Тем не менее, в районах, где преобладает ветреная погода, а доступ к энергосети затруднен, использование ветроустановок - это верное решение!
Эпоха двигателей с крыльчатым ветроколесом (напоминающим воздушный винт) началась, по-видимому, в то время, когда ветряные установки стали получать все большее распространение в западных странах и когда в их конструкцию были привнесены элементы парусного вооружения судов, плававших в Персидском заливе и Средиземном море. Ветроколеса с лопастями из слабо натянутых треугольных кусков парусины, напоминающих парус небольшого судна, до сих пор можно видеть на островах Средиземноморья.
По мере того как ветряные двигатели получали распространение все дальше к западу и северу от Средиземноморья, они оказывались в районах, где часты сильные ветры. Это заставляло использовать более прочные лопасти. Деревянный решетчатый каркас лопастей обтягивался парусиной. Эволюцию таких двигателей можно проследить по рисункам средневековых английских графиков и живописным полотнам голландских мастеров.
Форма ветряного колеса в целом сохранялась прежней; усовершенствование шло по пути изменения пропорций. Лонжерон, который первоначально проходил по оси каркаса лопасти, постепенно смещался к передней кромке, пока не нашел окончательного положения на расстоянии примерно 1/4 длины хорды. (Хорда — это линия, соединяющая переднюю кромку сечения лопасти с задней; в точке, отстоящей на 1 /4 длины хорды от передней кромки, как правило, находится центр давления профиля лопасти.) На основании собственного опыта строители поняли, что размещение лонжерона в этом месте уменьшает крутильные деформации лопастей у работающего двигателя.
Принципиальное конструктивное изменение в тот же период претерпела и башня двигателя. У самых первых двигателей, построенных к северу от Средиземноморья, всю башню поворачивали вручную, как только ветер менял свое направление. Соответственно основание башни нельзя было жестко закреплять на твердом фундаменте и поэтому прочность конструкции была невысокой. Позже башни стали жестко крепить к основанию, и только верхнюю ее часть делали свободно поворачивающейся. За счет этих усовершенствований оказалось возможным делать двигатели гораздо больших размеров, чем до этого.
Другое усовершенствование начали внедрять примерно 400 лет назад, когда строители поняли, что лопасти работают лучше, если их слегка закрутить. К этой идее они пришли, очевидно, интуитивно, сообразив, что крутка лопасти компенсирует неравномерность распределения скорости обтекания различных сечений лопасти: сечения движутся с тем меньшей скоростью, чем ближе к оси они находятся. У лопасти, не имеющей крутки, углы между хордами сечений и направлением ветра далеки от оптимальных, а это ведет к потере мощности.
Самые хитроумные усовершенствования были связаны с изменением поперечного сечения (профиля) лопастей. Скашивание носовой части лопасти, примененное на ветряных двигателях в Голландии примерно в 1600 г., сделало лопасть вогнутой. Вогнутость способствует увеличению подъемной силы и уменьшению лобового сопротивления. Усовершенствование носовой части лопасти у английских ветряных двигателей конца XIX в. было связано не только с созданием вогнутости, но и с приданием ей аэродинамически выгодного контура за счет ее утолщения. В результате лопасть превратилась в настоящее самолетное крыло.
Эта медленная эволюция шла практически в отсутствие какой-либо теории и ясного понимания законов аэродинамики. Методом проб и ошибок, передавая опыт от поколения к поколению, люди улучшали форму лопасти, повышая тем самым эффективность ее работы. В то же время экономические факторы диктовали необходимость создания ветряных двигателей больших размеров.
Читайте также: