lecture06 (1185068), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Хорошие аэродинамические качества крыльчатых ветродвигателей, конструктивная возможность изготовлять их на большую мощность, относительно лёгкий вес на единицумощности – основные преимущества ветродвигателей этого класса.Коммерческое применение крыльчатых ветродвигателей началось с1980 года. За последние 14 лет мощность ветродвигателей увеличилась в 100раз: от 20-60 кВт при диаметре ротора около 20 м в начале 1980 годов до5000 кВт при диаметре ротора свыше 100 м к 2003 году (рис. 6.2.2). Некоторые прототипы ветродвигателей имеют еще большие мощность и диаметрротора. За тот же период стоимость генерируемой ветряками энергии снизилась на 80 % [4]. Зависимость стоимости электроэнергии от мощностиветродвигателей при их расположении на побережье и вдали от моряпредставлена на рис.
6.2.3 (в ценах 2001 г.).Рис. 6.2.2. Рост мощности и диаметра ротора коммерческих ветродвигателейhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем7Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Рис. 6.2.3. Зависимость стоимости электроэнергии от мощности ветродвигателей при их расположении на побережье и вдали от моря6.3. Работа поверхности при действии на нее силы ветраСкоростью ветра называют расстояние в метрах, проходимое массойвоздуха в течение одной секунды.
Скорость ветра постоянно меняется по величине и направлению. Причиной этих изменений является неравномерноенагревание земной поверхности и неровности рельефа местности.Скорость ветра является важнейшей характеристикой техническихсвойств ветра. Поток ветра с поперечным сечением F обладает кинетической энергией, определяемой выражением:mV 2.2(6.3.1)Масса воздуха, протекающая через поперечное сечение F со скоростью V , равна:m = ρFV .(6.3.2)Подставив (6.3.2) в выражение кинетической энергии (6.3.1), получим:http://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем8Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)mV 2 ρFV 3=,22(6.3.3)откуда следует, что энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости.Посмотрим, сколько процентов энергии ветра может превратить в полезную работу поверхность, поставленная перпендикулярно к направлениюветра и перемещающаяся в этом же направлении, что имеет место, например,у ветродвигателей карусельного типа.Мощность T определяется произведением силы P на скорость V :T = PV .(6.3.4)Одну и ту же работу можно получить либо за счёт большой силы, прималой скорости перемещения рабочей поверхности, либо, наоборот, за счётмалой силы, а следовательно, и малой поверхности, но при соответственноувеличенной скорости её перемещения.Допустим, мы имеем поверхность F, поставленную перпендикулярно кнаправлению ветра.
Воздушный поток вследствие торможения его поверхностью получит подпор и будет обтекать её и производить давление силой Px .Вследствие действия этой силы поверхность будет перемещаться в направлении потока с некоторой скоростью U (рис. 6.3.3); работа при этом будетравна произведению силы на скорость U , с которой перемещается поверхность F, т. е.:T = PxU ,(6.3.5)где Px – сила сопротивления, которая равна :Px = C x Fρ2(V − U )2 ,(6.3.6)где C x – аэродинамический коэффициент лобового сопротивления;F – поверхность миделевого сечения теля, т.е.
проекции площади тела наплоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока.В этом случае ветер набегает на поверхность с относительной скоростью, равной :http://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем9Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)W =V −U .(6.3.7)Подставив значение Px из уравнения (6.3.6) в уравнение (6.3.5), получим:T = Cx Fρ2(V − U )2 U ,(6.3.8)Рис.
6.3.3. Действие силы ветра на поверхность.Определим отношение работы, развиваемой движущейся поверхностью и выраженной уравнением (6.3.8), к энергии ветрового потока, имеющего поперечное сечение, равное этой поверхности, а именно:ξ=Cx Fρ2F(V − U )2 UρV 3= C x (V − U )2U.V3(6.3.9)2После преобразований получим:2⎛ U⎞ Uξ = C x ⎜1 − ⎟.⎝ V⎠ V(6.3.10)Величину ξ называют коэффициентом использования энергии ветра.Из уравнения (6.3.10) мы видим, что ξ зависит от скорости перемещения поверхности в направлении ветра.
При некотором значении скорости Uкоэффициент ξ получает максимальное значение. В самом деле, если скорость перемещения поверхности равна нулю U = 0 , то работа ветра такжеhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем10Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)равна нулю. Если U = V ,т.е.
поверхность перемещается со скоростью ветра,работа также будет равна нулю, так как нет силы сопротивления, за счёт которой совершается работа. Отсюда следует, что значение скорости U заключено в пределах между U = 0 и U = V .Установлено, чтобы получить максимальное ξ , поверхность должнаперемещаться со скоростью:1U= V.3(6.3.11)Максимальный коэффициент использования энергии ветра при работеповерхности силой сопротивления не может быть больше ξ = 0,192 .6.4. Работа ветрового колеса крыльчатого ветродвигателяКрыльчатые ветроколеса работают за счёт косого удара при движениилопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра в противоположность к прямому удару, рассмотренному в предыдущем случае.
Устройствотакого колеса показано на рис. 6.4.1.На горизонтальном валу закреплены крылья, число которых у современных ветродвигателей бывает от 2 и больше. Крыло ветроколеса состоитиз маха а и лопасти б, закрепляемой на махе так, что она образует с плоскостью вращения некоторый угол ϕ . Этот угол называют углом заклинения лопасти (рис. 6.4.1).
При этом на её элементы набегает воздушный поток с относительной скоростью W под углом α , который называют углом атаки, идействует с силой R . Углы ϕ и α в значительной мере определяют эффективность крыльев. Силу R раскладывают на силы Px и Py (рис.
6.4.2, а). Силы Px производят давление в направлении ветра, которое называется лобовым давлением. Силы Py действуют в плоскости y − y вращения ветроколеса и создают крутящий момент.http://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем11Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)Рис. 6.4.1. Конструктивная схема крыльчатого ветроколеса.Рис. 6.4.2.
а – схема действия сил воздушного потока на элемент лопасти; б –графическое изображение относительного потока, набегающего на элементылопасти, расположенные на разных радиусах ветроколеса.Максимальные силы, приводящие колесо во вращение, получаются принекотором значении угла атаки α , т.
е. угла наклона относительного потока кповерхности лопасти. Ввиду того что окружная скоростью длине крыла неодинакова, а возрастает по мере удаления его элементов от оси вращенияhttp://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем12Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)ветроколеса, относительная скорость W набегания потока на лопасть такжевозрастает.
Вместе с этим убывает угол атаки α , и при некоторой окружнойскорости ωR , где ω угловая скорость, этот угол станет отрицательным (рис.6.4.2, б). Следовательно, не все элементы крыла будут иметь максимальнуюподъёмную силу.Если мы будем уменьшать угол ϕ каждого элемента лопасти по мереудаления его от оси вращения так, чтобы наивыгоднейший угол атаки αпримерно сохранялся постоянным, то мы получим условие, при которомприблизительновсеэлементылопастибудутработатьсосвоеймаксимальной подъёмной силой.
Лопасть с переменным углом заклинения сополучает форму винтовой поверхности.Правильные углы заклинения лопасти при хорошем аэродинамическомкачестве профиля, а также ширине, соответствующей заданной быстроходности, обеспечивают высокий коэффициент использования энергии ветра. Ухорошо выполненных моделей он достигает 46%.Литература1.
Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки. – М.: ОГИЗ–Сельхозгиз,1948. – 544 с.2. Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Ветронасосные и ветроэлектрическиеагрегаты. – М.: Колос, 1967. – 376 с.3. http://www.awea.org – The American Wind Energy Assocication4. http://www.ewea.org – The European Wind Energy AssocicationСодержание6. Энергия ветра и возможности ее использования............................................. 16.1.
Происхождение ветра, ветровые зоны России.............................................. 16.2. Классификация ветродвигателей по принципу работы ............................... 5http://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем13Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (курс лекций)6.3. Работа поверхности при действии на нее силы ветра .................................. 86.4.
Работа ветрового колеса крыльчатого ветродвигателя.............................. 11Литература ............................................................................................................. 13http://dhes.ime.mrsu.ru – Кафедра теплоэнергетических систем14.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
