Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии (1). Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии
![]()
|
5.2. Краткая классификация ветроэнергетических установокВетроэнергетические установки (ВЭУ) классифицируются по двум основным признакам – геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра. На рис. 5.1 показаны взаимодействия воздушного потока с лопастью ветроколеса и возникающие при этом силы. Если воздушный поток, имеющий скорость u, набегает на лопасть, перемещающуюся со скоростью V, то скорость потока относительно лопасти будет r. При взаимодействии потока с лопастью возникают: 1) сила сопротивления F0, параллельная вектору относительной скорости набегающего потока r; 2) подъемная сила FL, перпендикулярная силе FD. Слово «подъемная», разумеется, не обозначает, как в аэродинамике, что эта сила направлена вверх; 3) завихрение обтекающего лопасти потока; 4) 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, возмущенном другими лопастями; 5) препятствие для набежавшего потока. Это его свойство характеризуется параметром, называемым геометрическим заполнением и равным относительно площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к ометаемой ими площади. Так, например, при одинаковых лопастях четырехлопастное колесо имеет вдвое больше геометрическое заполнение, чем двухлопастное. ![]() Рис. 5.1. Скорости элемента лопасти и действующие на него силы (U – скорость ветра; V – скорость элемента лопасти, r – скорость элемента лопасти относительно ветра; FD – сила лобового сопротивления, действующая в направлении скорости r; FL – подъемная сила, перпендикулярная силе FD Чаще всего ВЭУ классифицируют по следующим признакам (рис. 5.2): 1. По расположению оси ветроколеса по отношению к потоку ветра, ось вращения ветроколеса может быть параллельна или перпендикулярна воздушному потоку. В первом случае установка называется горизонтально-осевой, во-втором – вертикально-осевой. 2. По типу вращающей силы; установки использующие силу сопротивления, как правило, вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра, а установки, использующие подъемную силу, имеют линейную скорость концов лопастей, которая существенно больше скорости ветра. 3. По геометрическому заполнению ветроколеса; для основной массы установок оно определяется числом лопастей. ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабом ветре, и максимум мощности достигается при небольших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и требуют большего времени для выхода на этот режим. Поэтому первые установки используются в качестве приводов водяных насосов, и даже при слабом ветре сохраняют работоспособность, вторые – в качестве приводов электрогенераторов, которым требуется высокая частота вращения. 4. По заданной цели; установки для непосредственного выполнения механической работы часто называют ветряной мельницей или турбиной; установки для производства электроэнергии, т.е. сопряженные турбина и электрогенератор называются ветроэлектрогенератром, аэрогенератором, или установками с преобразованием энергии. 5. От частоты вращения ветроколеса; существуют два вида ВЭУ, подключенных к мощной энергосистеме, частота вращения постоянна вследствие эффекта автосихронизации, но такие установки менее эффективно используют энергию ветра, чем установки с переменной частотой вращения. 6. По типу сопряжения ветроколеса с электрогенератором; если ветроколесо связано напрямую с генератором, то такое соединение называется жестким; а если через буфер, роль которого играет промежуточный накопитель энергии, то такое соединение называют частично развязанным соединением. Наличие буфера уменьшает влияние флуктуаций частоты вращения ветроколеса и позволяет более эффективно использовать энергию ветра и мощность электрогенераторов, т.е. нежесткое соединение, наряду с инерцией ветроколеса, уменьшает влияние флуктуаций скорости ветра на выходные параметры электрогенератора. Уменьшить это влияние позволяет также упругое соединение лопастей с осью ветроколеса, например с помощью подпружиненных шарниров. Приведенная классификация ВЭУ на основе перечисленных признаков изображена на рис. 5.2, но этим не исчерпывается все многообразие конструкций этих аппаратов. ![]() Рис. 5.2. Классификация ветроколес: с горизонтальной осью (а); с вертикальной осью (б); с концентраторами (усилителями) ветрового потока (в); 1 – однолопастное колесо; 2 – двухлопастное; 3 – лопастное; 4 – многолопастное; 5 – чашечный анемометр; 6 – ротор Савониуса; 7 – ротор Дарье; 8 – ротор Масгрува; 9 – ротор Эванса; 10 – усилитель потока |