Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии (1). Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии

• Название: Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии
• Дата: 22.08.2022
• Размер: 7.49 Mb.
• Имя файла: Возобновляемые и ресурсосберегающие источники энергии (1).doc
• Тип: Документы; #650481
• страница: 26 из 43

5.3. Ветроустановки с горизонтальной и вертикальной осью

Рассмотрим 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 установок

Далее 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 25 м/c, тогда Р_o 10000 Вт/м².

В теории ветроколеса предполагается, что проходящие через него линии тока не претерпевают разрыва, а само колесо заменяется таким проницаемым диском, при взаимодействии с которым воздушный поток отдает ему часть энергии, в силу чего давление в потоке и его импульс уменьшаются. Кроме того, в процессе взаимодействия в набегающий ламинарный поток вносятся различные возмущения, но здесь и в дальнейшем мы ими можем пренебречь.

На рис. 5.4, б величина А₁ – площадь, ометаемая ветроколесом, А₀ и А₂ – площади поперечных сечений проходящего через ветроколесо потока соответственно до и за ним, причем сечение А₀ расположено за пределами возмущенной ветроколесом области, а сечение А₂ – в месте наименьшей скорости потока. Положение площадей А₀ и А₂ можно определить по результатам экспериментальных измерений поля скоростей в окрестности ветроколеса. Непосредственно в сечении А₁ провести такие измерения нельзя из-за вращения ветроколеса.

Действующая на ветроколесо сила F₁, равна изменению количества движения массы проходящего через него в единицу времени воздуха , то есть можно считать, что
F = U₀ – U₂ . (5.3)
Эта сила действует на ветроколесо со стороны протекающего через него воздушного потока, который можно считать однородным и имеющим скорость U₁. Мощность, развиваемая этой силой, будет иметь вид:

Р = F U₁ = (U₀ – U₂) U₁ . (5.4)
Но эта мощность Р есть энергия, теряемая в единицу времени ветровым потоком, взаимодействующим с вветроколесом, которая равна:

P_w = 1/2 (U₀² –U₂²) . (5.5)

Приравнивая (5.4) и (5.5), получим:
(U₀ –U₂) U₁ = 0,5 (U₀² –U₂²) = 0,5(U₀ –U₂) (U₀ +U₂) . (5.6)

Из этого соотношения следует
. (5.7)
То есть из линейной теории следует, что скорость воздушного потока в плоскости ветроколеса не может быть меньше половины скорости набегающего потока.

Масса воздуха, проходящего через поверхность А₁, ометаемой ветроколесом в единицу времени,
=  А₁ U₁ . (5.8)
Тогда (5.4) примет вид:
P =  А₁ U₁² (U₀ – U₂) . (5.9)
А после замены U₂ из (5.7) получим
P =  А₁ U₁² (U₀ – (2U₁ – U₀)) = 2 ρ А₁ U₁²(U₀ – U₁). (5.10)
Обозначим через а величину:
а = (U₀ – U₁)/ U₀, (5.11)
называемую коэффициентом торможения потока.

Тогда величина скорости будет иметь вид:
U₁ =(1 – a ) / U₀ . (5.12)
Но с учетом (5.7) и (5.11)

а = (U₀ – U₂)/(2 U₀) . (5.13)
Очень часто величину а также называют коэффициентом индукции или возмущения.

Подставляя U₁ из (5.12) в (5.10), получим:
P = 2А₁(1-а)² U₀² [U₀ – (1 –a) U₀] = 0,5 A₁U₀³[4a(1-a)²] . (5.14)
Сопоставляя это выражение с (5.2), получим для мощности
Р = С_рР₀ , (5.15)
где Р₀ – мощность набегающего потока; С_р – часть этой мощности, передаваемая ветроколесу (эту часть называют коэффициентом мощности), равная:
С_р = 4 а (1 – а²) . (5.16)
Иногда вместо коэффициента а применяют коэффициент b = U₂/U₀, также называемый коэффициентом торможения потока.

Легко показать, что максимальное значение коэффициента С_р имеет величину (рис. 5.4):
С_{р max} = 16/27 = 0,59 . (5.17)
Таким образом, в лучшем случае только немногим более половины энергии набегающего ветрового потока можно использовать для преобразования кинетической энергии потока в энергию вращения ветроколеса. Это объясняется тем, что воздушный поток должен обладать определенной кинетической энергией, чтобы покинуть область ветроколеса. Равенство (5.17) называется критерием Бетца.

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 С_р 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.