Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии (1). Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии
![]()
|
10000 Вт/м2.5.3. Ветроустановки с горизонтальной и вертикальной осьюРассмотрим вначале ВЭУ с горизонтальной осью вращения, так называемый пропеллерный тип, наиболее широко распространенный на практике. Основной вращающей силой у колес этого типа является подъемная сила. Относительно ветра ветроколесо в рабочем положении может располагаться перед опорной башней или за ней. При переднем расположениеи ветроколесо может иметь аэродинамический стабилизатор, удерживающий его в рабочем положении. При заднем расположении башни оно частично затеняет ветроколесо и турбулизует набегающий на него поток. При работе колеса в таких условиях возникают уменьшение нагрузки, повышенный шум и флуктуации выходных параметров ВЭУ. Направление ветра может измениться довольно быстро, и ветроколесо должно четко отслеживать эти изменения. Поэтому у ВЭУ мощностью более 50 кВт для этой цели используются электрические серводвигатели. В ВЭУ обычно применяется двух- или трехлопастные ветроколеса; последние отличаются очень плавным ходом. После ветроколеса стоит редуктор, соединенный с электрогенератором, все это расположено наверху опорной башни, в поворотной головке. Все это удобнее размещать в самом низу, у основания башни, но возникающие при этом сложности с передачей крутящего момента умаляют все преимущества такого размещения. Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения вследствие своей геометрии при любом направлении ветра находятся в рабочем положении. Кроме того, такая схема позволяет только за счет удлинения вала установить редуктор с генератором у подножия башни. Основными недостатками таких установок являются: 1) гораздо большая подверженность их усталостным разрушениям из-за более часто возникающих в них автоколебательных процессов; 2) пульсация крутящего момента, приводящая к нежелательным пульсациям выходных параметров генератора. Поэтому подавляющее число ВЭУ выполнено по схеме горизонтально-осевых установок, однако исследования вертикально-осевых установок все же продолжаются. Кратко опишем основные типы вертикально-осевых ВЭУ (рис. 5.2). Чашечный ротор (анемометр). Ветроколесо этого типа вращается силой сопротивления. Форма лопасти обеспечивает практически линейную зависимость частоты вращения колеса от скорости ветра. Ротор Савониуса. Он вращается силой сопротивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, т.е. довольно просты и дешевы. Вращающий момент создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выпуклой сторонами лопастей ротора. Ввиду большого геометрического заполнения это ветроколесо обладает большим крутящим моментом и часто используется для приведения в действие водяных насосов. Ротор Дарье. В этой установке вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или трех тонких изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Ротор Дарье чаще других используется в ветрогенераторах. Раскручиваться самостоятельно он, как правило, не может, поэтому для его пуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя. Ротор Эванса. В этом устройстве лопасти имеют возможность поворачиваться вокруг оси, тем самым создается возможность управления скоростью вращения ротора. Мощность ветроэнергетических установок зависит от эффективности использования энергии воздушного потока. Одним из способов ее повышения является использование специальных концентраторов воздушного потока (рис. 5.2). Для горизонтально-осевых ВЭУ разработаны или предложены различные варианты таких усилителей потока. Это могут быть диффузоры или конфузоры, направляющие на ветроколесо воздушный поток с площади большей, чем площадь ометаемой поверхности ветроколеса. Однако в промышленных ВЭУ концентраторы не получили распространения. 5.4. Теоретические основы ветроэнергетических установокДалее в этом подразделе получим соотношения для мощности, крутящего момента и силы сопротивления, действующих на ветроколесо. В этом анализе будем использовать линейное приближение. В отсутствие турбулентности объем воздуха, проходящего в единицу времени через поперечное сечение ветроколеса площадью А (рис. 5.3), обладает кинетической энергией, равной: P0=0,5(ρ A1 U0)U02=0,5ρA1U03 . (5.2) где ρ и U0 – плотность и скорость набегающего воздушного потока. Таким образом, Р0 есть кинетическая энергия ветрового потока. ![]() Рис. 5.3. К расчету мощности ветрового потока (а) и модель взаимодействия ветрового потока с ветроколесом (б) Плотность воздуха зависит от высоты над поверхностью Земли, а также метеорологических условий. Скорость ветра увеличивается с высотой, зависит от местных географических условий и довольно сильно меняется во времени. Для расчета будем считать, что скорость ветра U0 и плотность ρ являются постоянными во времени и в любом поперечном сечении воздушного потока. На уровне моря плотность воздуха равна 1,2 кг/м3, а необходимая для эффективной работы ветроустановки скорость ветра – порядка 10 м/с. При этих данных энергия ветра Р0 =600 Вт/м2. При штормовом ветре U0 |
Рис. 5.4. Зависимость коэффициента мощности Ср от коэффициента торможения потока а | ![]() |
Этот критерий справедлив для любой энергетической установки, обтекаемой свободным потоком газа или жидкости. В традиционных ГЭС турбина обтекается не свободным, а ограниченным стенками водовода потоком, поэтому данный критерий здесь не приемлем. В лучших промышленных ВЭУ коэффициент мощности достигает 0,4. Так как максимальное значение коэффициента мощности равно 0,59, то можно считать, что КПД таких генераторов равно 0,4/0,59 = 0,68.
Коэффициент мощности Ср характеризует эффективность преобразования ветрогенератором энергии воздушного потока, проходящего через ометаемую ветроколесом площадь А1 (рис. 5.2, б)
Удельная мощность ветрового потока, т.е. мощность, снимаемая с единицы его поперечного сечения, будет больше, если поперечным сечением считать сечение А0, а не А1, так как А0 < А1.
Можно показать, что удельная мощность в этом случае, используемая ветроустановкой, составит примерно 0,89 удельной мощности ветрового потока, т.е. максимальное значение КПД ВЭУ равно 89%. Эту особенность в определении КПД следует иметь в виду при сравнении удельных характеристик ВЭУ различных типов.