Перетворення енергії вітру вертикально-осьовими вітродвигунами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перетворення енергії вітру вертикально-осьовими вітродвигунами

Вітроустановки вертикально-осьового типу, у яких вісь обертання ротора перпендикулярна вектору швидкості набігаючого потоку, поширені значно менше, ніж горизонтально-осьові вітроустановки. Вітродвигуни вертикально-осьових вітроустановок за принципом дії умовно можна розділити на дві групи.

До першої групи відносяться вітродвигуни, обертання яких виникає внаслідок відмінності опору лопатей при їх русі за вітром і проти вітру. Такими вітродвигунами є ротор Савоніуса, ротор з екраном або шарнірно закріпленими лопатями (вітродвигуни карусельного типу). Вітродвигуни, що використовують різні опори лопатей, є тихохідними, оптимальна швидкість кінця лопаті складає приблизно 1/3 швидкості вітру, вони мають зазвичай низький коефіцієнт використання енергії вітру. Використання таких вітродвигунів не позбавлене ряду серйозних недоліків, застосування їх, наприклад, для отримання електроенергії, вимагає важкого механічного і електричного устаткування для вітроустановки.

До другої групи вітродвигунів з вертикальною віссю обертання відносяться різні ротори типу Дар'є (з прямими, похилими і зігнутими лопатями), а також вітродвигуни з періодично змінюваним кутом установки лопатей. Момент, що обертає, на такому роторі створюють аеродинамічні сили, що виникають при обтіканні повітряним потоком крилевого профілю.

Вітродвигуни цього типу мають високу швидкохідність (лопаті рухаються в 2-4 рази швидше за вітер), що є істотною перевагою при використанні ВЕУ для вироблення електроенергії. Мають низьке значення коефіцієнта затінювання (<0,3) і досить високий коефіцієнт використання енергії вітру. Як відзначалося раніше, істотним недоліком є те, що на необертальному роторі Дар'є момент зрушування практично дорівнює нулю, що вимагає наявності спеціальних систем запуску.

В той же час конкурувати з кращими на сьогодні горизонтально- осьовими роторами можуть лише ротори Дар'є. Вони порівняно прості за конструкцією, не вимагають додаткових механізмів орієнтації на вітер і обмеження потужності, що розвивається, при швидкостях, що перевищують розрахункові. Крім того, при використанні таких ВЕУ для роботи в енергосистемах простіше вирішується завдання створення машин мегаватного класу.

Аеродинаміка вітродвигунів карусельного типу. Визначимо, яку частину енергії вітрового потоку може перетворити в корисну роботу поверхня, поставлена перпендикулярно напряму вітру. На перший погляд здається, що таке положення поверхні по відношенню до вітру є найвигіднішим, так як за цієї умови тиск на поверхні досягає максимального значення. Проте слід взяти до уваги, що окрім сили тиску, є ще і швидкість переміщення цієї поверхні під дією сили вітрового потоку. Насправді, потужність обумовлюється добутком сили на швидкість. Звідси витікає, що одну і ту ж роботу можна отримати або за рахунок великої сили, але при малій швидкості переміщення робочої поверхні, або, навпаки, за рахунок малої сили і, отже, малій поверхні, але при відповідно до збільшеної швидкості її переміщення.

Припустимо, є поверхня А, перпендикулярна до напряму вітру. Під дією сили Fx вона переміщатиметься (пересуватиметься) в його напрямі з деякою швидкістю и (рис. 3.10).

Рисунок 3.10. Схема дії сили вітрового потоку на поверхню, що розміщена перпендикулярно до його направлення

Потужність сили буде дорівнювати

(3.29)

де сила

(3.30)

Вітер набігає на поверхню з відносною швидкістю, рівною

(3.31)

(3.32)

Це і є робота вітру за 1 с на поверхні, яка переміщається силою опору, або потужність, що розвивається поверхнею, що рухається. Визначимо максимальний коефіцієнт використання енергії вітру:

Після перетворення отримаємо

(3.33)

З рівняння (3.33) видно, що ця величина залежить від швидкості переміщення поверхні у напрямі вітру.

Рівняння (3.33) запишемо у вигляді

(3.34)

Дослідивши рівняння (3.34) на екстремум, отримаємо, що максимальне значення виходить, коли швидкість переміщення поверхні складає 1/3 швидкості вітру, тобто коли. Коефіцієн для поверхонь, поставлених перпендикулярно потоку вітру, дорівнює близько 0,65. Отже

тобто максимальний коефіцієнт використання енергії вітру при роботі поверхні силою опору не може бути більший 0,192.

На практиці цей коефіцієнт менший. Завдяки тому, що робочі лопаті ротора переміщаються у напрямі повітряного потоку, вітрове навантаження діє не одночасно на усі лопаті, а по черзі.

Лопаті, що обертаються за напрямом вітру, зазнають тиску, що дорівнює

(3.35)

де

Лопаті протилежної сторони ротора випробовують опір руху, дорівнює

(3.36)

якщо ці лопаті прикрити ширмою, і, якщо вони йдуть ребром до вітру, дорівнює

(3.37)

де - бокова поверхня опору ребер; - коефіцієнт сили опору ребер.

Підсумовування моментів, що діють у напрямі обертання ротора, і сил опору, що діють у зворотний бік, дає в результаті незначний ефект. Таким чином, коефіцієнт використання енергії вітру є дуже низьким і за найсприятливіших умов не перевищує 0,1.

Обертання ротора у напрямі вітру є причиною іншого негативного чинника - тихохідності. Результат експериментальних досліджень показує, що швидкохідність карусельних вітродвигунів не перевищує 0,5.

Аеродинаміка вітродвигуна системи Савоніуса. У вітродвигунах системи Савоніуса, хоча ротор також обертається в горизонтальній площині, протікання потоку через обмахувану поверхню, відбувається абсолютно інакше, ніж у карусельних вітродвигунів.

Потік вітру, спрямовуючись, як показано на рис. 3.11, сковзає по опуклій поверхні А і діє повною силою F на зігнуту поверхню В, огинає її, створюючи цим додаткову силу F, що обертає ротор. Опорів, які мають місце у карусельних вітродвигунах, в даному випадку немає.

Рисунок 3.11. Схема руху повітряного потоку у роторі Савоніуса тому коефіцієнт використання енергії вітру cр ротора Савоніуса приблизно в два рази вищий, ніж у карусельних вітродвигунів.

Ротор Савоніуса придатний для невеликих потужностей (менше 0,7 кВт в одному агрегаті при швидкості вітру 8 м/с).

Аеродинаміка вітродвигуна з прямими профільованими лопатями. Однією з істотних особливостей роботи лопатей вертикально- осьового ротора з прямими профільованими лопатями в повітряному потоці (рис. 3.12) є безперервна зміна кутів атаки, величини і напрямів, що діють на лопаті аеродинамічних сил по усій трасі колового руху.

вітродвигун карусельний лопать кутовий

Рисунок 3.12. Схема вертикально-осьового ротора з профільованими лопатями

Характер зміни кутів атаки лопаті при її русі по коловій траєкторії зручно проаналізувати з використанням трикутників швидкостей. Вважатимемо кутом установки лопаті кут ц між хордою лопаті і дотичної до кола радіусу R ротора, приймаючи його позитивним при повороті носика профілю всередину кола (рис. 3.13).

Відносну швидкістьнатікання повітряного середовища на лопать визначимо як

а кут атаки

де - швидкість вітрового потоку, що натікає на лопать;- частота обертання ротора; - кут між векторами та .

Рисунок 3.13. Схема колової траси ротора

При нульовому куті установки лопаті кут атаки Азимутний кут визначає положення лопаті на трасі колового руху в конкретний момент часу. Кут атаки на навітряній стороні змінюється від при азимутному куті до значення при , досягає свого максимально позитивного значення в другій чверті при азимутних кутах, тобто у секторі розмахуз центральним кутом .

На навітряній стороні () від'ємний кут атаки змінюється у тих же межах, що і на навітряній стороні, досягаючи в третій чверті () свого найбільшого (за модулем) значення на азимутних кутах

тобто у секторі такого ж розмаху з центральним кутом .

Практично з урахуванням гальмування вітрового потоку при взаємодії з ротором і для реальних швидкохідностей вказані сектори звузяться, причому більшою мірою для підвітряної сторони, проте залишаться у вказаних чвертях. Чим вище швидкохідність ротора, тим вужчий діапазон робочих кутів атаки, стабільніші картина обтікання лопатей і динаміка силового навантаження окремих елементів і ротора вітроагрегата в цілому.

Значення кута атаки в залежності від кутового положення лопаті визначається виразом

(3.38)

де б - коефіцієнт швидкохідності; в - азимутний кут.

Як випливає з представленої залежності, кут атаки при цьому трохи змінюється тільки при русі з високим коефіцієнтом швидкохідності. Подібні зміни призводять до коливань відносної швидкості набігання потоку w, величина якої залежить від кутового положення лопаті таким чином:

(3.39)

Зміна кута атаки і відносної швидкості набігання потоку на лопаті призводить до появи додаткових обертових моментів і згинальних навантажень.

Потужність вітроагрегата з прямими профільованими лопатями можна визначити по відомій формулі:

 (3.40)

Площа обмахуваної поверхні

де H - висота лопаті; R - радіус траєкторії її руху.

Формулою (3.40) можна користуватися тільки при орієнтовному співвідношенні . При великих співвідношеннях потужність визначають за значенням тангенціальної тягової сили, яка визначається в кожній точці траєкторії руху однієї лопаті за законом аеродинаміки залежно від швидкості обдування лопаті при русі в потоці вітру.

Размещено на Allbest.ru