Режимы работы ветроколеса. Понятие коэффициента. Частота вращения ветроколеса21. Понятие быстроходности ветроколеса.Ветроколесо может быть быстроходным или тихоходным, представляет отношение скорости движения конца лопасти к скорости ветрового потока(зависит также от диаметра ветроколеса и количества лопастей, оборотов). Этот показатель называется быстроходностью ветроколеса. Конец лопасти обычно движется в плоскости ветроколеса со скоростью, которая в несколько раз выше скорости ветра. Z = L * W / 60 / V W –частота вращения ветроколеса (об/мин.) V - скорость ветра (м/с.) L - длина окружности ( м.) Z - быстроходность ветроколеса. Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости наиболее удаленной от оси вращения ветродвигателя точки крыла (определяемое радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра(z=wR/v), которое принято обозначать символом U . Быстроходность по определению является величиной безразмерной. Считается, что ветродвигатель тихоходный, если U < 2, и быстроходный, если 4. 22. Характеристики быстроходных и тихоходных ветроколёс с горизонтальной осью.Ветряные электрогенераторы с 2-3 лопастями считаются быстро-ходными и имеют более высокий КПД и частоту вращения, но при этом низкий стартовый момент ротора. Потому быстроходные ВГ выгодно использовать с электрическим генератором, поскольку электрический генератор имеет высокую частоту вращения (для уменьшения массогабаритных характеристик) и низкий момент запуска. Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости наиболее удаленной от оси вращения ветродвигателя точки крыла (определяемое радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра(z=wR/v), которое принято обозначать символом U . Быстроходность по определению является величиной безразмерной. Считается, что ветродвигатель тихоходный, если U < 2, и быстроходный, если 4. Тихоходные ВГ обычно комплектуются с водяными насосами, которые имеют большой момент запуска и меньшую частоту вращения. Несмотря на высокую стоимость, большее распространение получили быстроходные 3-х лопастные ВГ, чем 2-х лопастные. 3-х лопастной ротор генерирует меньше вибраций и выглядит более эстетично. Тихоходные ветроколеса с количеством лопастей не менее шести. Чем больше число лопастей, их ширина и угол заклинивания тем ниже быстроходность ветроколеса. Мощность ветроколеса, при прочих равных условиях, мало зависит от числа лопастей, их положения в потоке воздуха и диаметра ветроколеса. 23. Понятие коэффициента использования энергии ветра.По классической теории Н.Е. Жуковского для идеального ветроколеса коэффициент использования энергии ветра ξ = 0,593. То есть идеальное ветроколесо (с бесконечным числом лопастей) может извлечь 59,3% энергии, проходящей через его поперечное сечение. Реально на практике у лучших быстроходных колес максимальное значение коэффициента использования энергии ветра доходит до 0,45 – 0,48, а у тихоходных – до 0,36 – 0,38. Под коэффициент использования энергии ветра понимается отношение механической мощности, развиваемой ветродвигателем, к механической мощности воздушного потока, протекающего через пространство, ометаемое рабочими поверхностями (крыльями или лопастями) этого ветродвигателя. Для парусных ветроустановок теоретич. коэф. использования не может превышать 0,192. Для щелевого ротора Савониуса коэф. доходит до 0,3; для ротора Дарье 0,35-0,4. studfiles.net Режимы работы ветроколеса. Понятие коэффициентаБыстроходности. Эффективность работы ветроколеса зависит от соотношения двух характерных времен: времени tб, за которое лопасть перемещается на расстояние, отделяющее ее от соседней лопасти, и времени tw, за которое создаваемая лопастью область сильного возмущения переместиться на расстояние, равное ее характерной длине. Время tw зависит от размера и формы лопастей и изменяется обратно пропорционально скорости ветра. Характерное время tb для n -лопастного ветроколеса, вращающегося с угловой скоростью w, равно:
Характерное время существования в плоскости ветроколеса создаваемого лопастью возмущения tw примерно равно:
где uo - скорость набегающего потока воздуха; d - характерная длина возмущенной лопастью области. Эффективность использования ветроколесом энергии ветра максимальна, когда на конце лопастей выполняется условие tw=~tб или с учетом (1) и (2) условие:
Используя выражение для коэффициента быстроходности
и домножая обе части (3) на радиус ветроколеса R, получаем условие, определяющее максимальнйю эффективность его работы:
Из общих выражений можно ожидать, что d»kR и k»1, тогда оптимальная быстроходность ветроколеса:
Рис 1. Зависимость коэффициента мощности Сp от быстроходности Z: 1- критерий Бетца, 59%; 2 - критерий Глауэрта; 3 - трехлопастное ветроколесо; 4 - двухлопастное ветроколесо; 5 - вертикальные - осевые ветроколеса типа Дарье; 6 - многолопастные ветронасосы; 7 - ротор Савониуса
Практика показывает что в действительности k»1/2, поэтому для n - лопастного ветроколеса оптимальная быстроходность равна: Zo»4p / n. (7)
Рис 2. Зависимость коэффициента мощности Ср от коэффициента потери скорости а при различных режимах работы ветроколеса: а - нормальных режим работы ветроколеса; б - малоэффективный режим работы ветроколеса из-за сильной турбулизации ветрового потока; в - работа ветроколеса в режиме воздушного винта, когда энергия передается от винта к потоку; г - работа ветроколеса в режиме воздушного винта при реверсе тяге (торможение самолета во время после посадочного пробега)
Быстроходность ветроколеса является, возможно самым важным для их характеристики параметром, зависящим от трех основных переменных: радиуса описываемой ветроколесом окружности, его угловой скорости вращения и скорости ветра. Как безразмерная величина он является основным параметром подобия при исследовании и конструировании ветрогенераторов. На рис. 2 представлены характерные режимы работы ветроколеса или пропеллерные режимы работы ветроколеса или пропеллера в зависимости от параметра а, а именно: 1) а > 0, Ср отрицателен. Это режим работы авиационного пропеллера, создающего отрицательную тягу. В этом режиме осевая нагрузка пропеллера направлена в сторону набегающего потока, увлекая вперед летательный аппарат; 2) 0 < a < 0,5, Ср в этом диапазоне положителен и достигает максимума. При а=0 u1=u0 и Ср =0 . Это режим свободного вращения ветроколеса в отсутствие нагрузки. При нагружении ветроколеса скорость u1 уменьшается и коэффициент мощности становится положительным. Максимального значения он достигает при а=1/3, когда u1 = u0/3 согласно выражению (2.17) и (2.12). При а=1/2 из линейной теории следует максимум значения осевой нагрузки (2.24) и коэффициент крутящего момента Ст =1; 3) 0,5< а <1, Ср постоянно уменьшается до нуля. Так как из (2.25) а=( u0 - u2)/2 u0, то уже при а=0,5 u2=0, т.е. в этом диапазоне изменения а линейная теория, вообще говоря, неприменима. На практике границу а=0,5 можно считать началом турбулентного режима обтекания ветроколеса, при котором из-за нарушения линейной зависимости частоты его вращения от скорости ветра коэффициент мощности падает. При а=1 Ср=0, ветроколесо вращается, интенсивно турбулезируя поток и практически не создавая полезного момента на валу. На практике такой режим возникает при отрывном обтекании лопастей ветроколеса; 4) а > 1, в этой области скорость u1отрицательна. В таком режиме работают, например, воздушные винты самолета при его торможении после посадки за счет реверса тяги, осуществляемого изменением угла тангажа лопастей винта. Такая работа винтов сопровождается интенсивным вихреобразованием в набегающем потоке.
Похожие статьи:poznayka.org Некоторые режимы работы ветроколесаПоиск Лекций
Ветроколесо обтекается практически неограниченным потоком воздуха, поэтому нет возможности отвести прошедший через ветроколесо поток за пределы набегающего потока, и это определенным образом ограничивает эффективность ветроустановок. Наиболее существенное ограничение связано с тем, что прошедший через ветроколесо воздушный поток должен обладать определенной скоростью, чтобы покинуть окрестность ветроколеса, не создавая помех набегающему потоку. Согласно критерию Бетца, ветроколесо может преобразовывать не более 59% энергии набегающего потока, но представленный ранее вывод этого критерия не позволяет определить условий работы ветроколеса, необходимых для достижения такого энергосъема. Рассмотрим подробно определение этих условий и их качественный анализ. Эффективность преобразования ветроколесом энергии ветрового потока (см. рис. 9.13) будет ниже оптимальной, если: 1. лопасти расположены так тесно, или ветроколесо вращается так быстро, что каждая лопасть движется в потоке, турбализованном расположенными впереди лопастями; 2. лопасти расположены так редко, или ветроколесо вращается так медленно, что значительная часть воздушного потока будет приходить через поперечное сечение ветроколеса, практически не взаимодействуя с его лопастями. Рисунок 9.13 – Взаимодействие ветрового потока с ветроколесом при различной частоте его вращения: а) частота вращения мала, поэтому часть ветрового потока проходит через плоскость ветроколеса, не взаимодействуя с его лопастями; б) частота вращения оптимальна, весь поток взаимодействует с ветроколесом; в). частота вращения слишком велика, в этом случае ветровой поток интенсивно турбулизуется, т.е. его энергия рассеивается
Отсюда следует, что для достижения максимальной эффективности частоты вращения ветроколеса заданной геометрии она (частота) должна соответствовать скорости ветра. Эффективность работы ветроколеса зависит от соотношения двух характерных видов времени: времени , за которое лопасть перемещается на расстояние, отделяющее ее от соседней лопасти, и времени , за которое создаваемая лопастью область сильного возмущения переместится на расстояние, равное её характерной длине. Время зависит от размера и формы лопастей и изменяется обратно пропорционально скорости ветра. Характерное время для n-лопастного ветроколеса, вращающегося с угловой скоростью , равно: . (9.32) Характерное время существования в плоскости ветроколеса, создаваемого лопастью возмущения , примерно равно: , (9.33) где – скорость набегающего потока воздуха; – характерная длина возмущений лопастью области. Эффективность использования ветроколесом энергии ветра максимальна, когда на конце лопастей выполняется условие , или, с учетом (9.32) и (9.33), получим: . (9.34) Применяя выражение для коэффициента быстроходности (9.35) и умножая обе части (9.34) на радиус ветроколеса , получаем условие, определяющее максимальную эффективность его работы: . (9.36) Из общих соображений следует ожидать, что , и при »1 оптимальная быстроходность ветроколеса будет: . (9.37) Опыт и практика показывает, что в действительности »0,5, поэтому для n–лопастного ветроколеса оптимальная быстроходность . (9.38) Например, для двухлопастного ветроколеса коэффициент мощности максимален при , а для четырехлопастного – при . Приведенные выше рассуждения не совсем строги, но, тем не менее, полученные с их помощью результаты вполне достоверны. Например, у ветроколеса, с тщательно спрофилированными лопастями, оптимальный коэффициент быстроходности примерно на треть выше данного формулой (9.38). В общем случае условием максимально эффективной работы конкретного ветроколеса является обеспечение постоянства оптимального для него угла атаки при любой скорости ветра. При выводе критерия Бетца не учитывались динамические эффекты взаимодействия потока с ветроколесом. Одним из наиболее ценных здесь результатов является критерий Глауэрта, связывающий максимальное значение коэффициента мощности с быстроходностью . На рис. 9.14 представлены критерии Бетца и Глауэрта, а также зависимость от для различных типов ветроколес. При проектировании очень быстроходных колес следует учитывать, что скорость обтекания концов лопастей должна быть меньше скорости звука (330 м/с) – во избежание образования ударных волн, что возможно, например, для достаточно совершенного двухлопастного ветроколеса при скорости ветра порядка 50 м/с. Быстроходность ветроколеса является, пожалуй, самым важным для их характеристики параметром, зависящим от трех основных переменных: радиуса ометаемой ветроколесом окружности, его угловой скорости вращения и скорости ветра. Как безразмерная величина, он является основным параметром подобия при исследовании и конструировании ВЭУ.
Рисунок 9.14 – Зависимость коэффициента мощности от быстроходности : 1 – критерий Бетца; 2 – критерий Глауэрта; 3 – трехлопастное колесо; 4 – двухлопастное; 5 – вертикальноосевые колеса типа Дарье; 6 – многолопастные ветроколеса; 7 – ротор Савониуса
poisk-ru.ru
poisk-ru.ru Использование ветроколесом энергии ветраПоиск Лекций
Величина коэффициента мощности зависит, главным образом, от быстроходности ветроколеса . Выбор характеристик ВЭУ в конкретных ветровых условиях определяется теми целями, которые перед ней ставятся. Обычно руководствуются одним из двух основных требований: оптимизировать производство энергии за год, чтобы, например, уменьшить потребление топлива электростанциями единой энергосистемы, или обеспечить производство определенного минимума энергии, даже при слабом ветре, чтобы, к примеру, сохранить работоспособность насосов системы водоснабжения. Кроме того, при выборе характеристик ветроколеса следует учитывать характеристики агрегатов (насосов, электрогенераторов), с которыми они непосредственно стыкуются. Таким образом, задача эффективного использования ветроустановкой энергии ветрового потока достаточно сложна, зависит от многих факторов, и на практике выбор ветроустановки определяется еще и сложившимися в этой области традициями. Энергией, передаваемой ветровыми потоками ветроустановке, является энергия на валу ветроколеса. Пусть – энергия потока, переданная ветроколесу за время , а – чаcть этой энергии, переданная ветровым потоком со скоростью в единичном скоростном интервале, тогда: . (9.54) Если плотность воздуха считать постоянной, то средняя мощность на валу ветроколеса определяется выражением: . (9.55) Чтобы вычислить величину этого интеграла, надо знать зависимость коэффициента от скорости набегающего потока. Для этого разобьем, как обычно делают, весь интервал скоростей на четыре характерных участка (см. рис. 9.18). Рисунок 9.18 – Режимы работы ветроустановки (сплошная кривая – стандартная; штриховая – реальная): 1 – включение, 2 – расчетная скорость, 3 – выключение
1. Скорость ветра меньше скорости , при которой ветроустановка включается. В этом диапазоне: =0. (9.56) 2. Скорость ветра больше номинальной скорости , поэтому величина энергии определяется соотношением: . (9.57) 3. Скорость ветра больше скорости , при которой ветроустановка отключается, тогда =0. (9.58) На практике большая часть ветроустановок при сильном ветре не отключается, а продолжает работать, но с низкой эффективностью. 4. Скорость ветра находится в интервале . Выходная мощность в этом диапазоне зависит от скорости ветра и типа ветроколеса. Для большинства ветроустановок эта зависимость имеет вид: , (9.59) где и – константы, определяемые из условий: а) в момент включения ветроустановки =0, поэтому ; б) при мощность , откуда . Из этих условий следует: . (9.60) Таким образом, коэффициенты и можно выразить через , и . На практике ветроустановкам часто приходится работать в этом малоэффективном диапазоне скоростей. В работе ветроустановки можно выделить два предельных режима (см. рис. 9.19). 1. Режим с постоянным коэффициентом быстроходности и, следовательно, с постоянным коэффициентом мощности в заданном рабочем диапазоне скоростей ветра из (9.55) следует: . (9.61) Если использовать для распределение Рэлея и достаточно большую скорость , то: (9.62) Рисунок 9.19 – Зависимости коэффициента мощности : а) от быстроходности ; б) от скорости ветра при постоянной быстроходности; в) от скорости ветра при постоянной скорости вращения ветроколеса (в) 1 – включение; 2 – расчетная скорость. Заштрихованная область соответствует потере мощности из-за непостоянства
2. Режим с постоянной частотой вращения ветроколеса , следовательно, с переменным коэффициентом . На рис. 9.19, б, в коэффициент представлен в виде функции от скорости набегающего потока . В этом случае мощность ветроколеса можно определить численным интегрированием. В режиме с постоянной частотой вращения, как видно из рис. 9.19, в не при всех скоростях ветра его энергия преобразуется эффективно. Это особенно проявляется при скоростях ветра, значительно превышающих скорость, соответствующею максимальному значению коэффициента .
9.11. Производство и распределение электроэнергииот ветроэнергетических установок
Использование ветроэнергетических установок для производства электроэнергии является наиболее эективным способом преобразования энергии ветра. Эффективность преобразования механической энергии в электрическую в электрогенераторе составляет обычно 95%, а потери электрической энергии при передаче не превышают 10%. Предъявляемые при этом требования к частоте и напряжению вырабатываемой электроэнергии зависят от особенностей потребителей этой энергии. Эти требования жесткие при работе ВЭУ в рамках единой энергосистемы и не очень – при использовании энергии ВЭУ в осветительных и нагревательных установках. К настоящему времени разработано большое число проектов ВЭУ, включая и электрогенераторы к ним. В России существуют, по крайней мере более 10 компаний разрабатывающих и производящих такие установки. Очевидно, что в будущем, с превращением ветроэнергетики в самостоятельную отрасль энергетики, появятся принципиально новые конструкции ВЭУ. При проектировании ВЭУ надо учитывать их следующие особенности. 1. Для обеспечения максимальной эффективности работы ветроколеса следует изменять частоту его вращения при изменении скорости ветра, сохраняя постоянным коэффициент быстроходности, в то же время для максимально эффективной работы электрогенератора необходима практически постоянная частота вращения. 2. Механические системы управления частотой вращения ветроколеса достаточно сложны и дороги. Гораздо эффективнее и дешевле управлять частотой его вращения, изменяя электрическую нагрузку электрогенератора. 3. Оптимальная частота вращения ветроколеса тем меньше, чем больше его радиус, поэтому только очень малые ветроколеса (радиусом до 2 м) удается соединять с генератором напрямую. При больших размерах ветроколеса приходится использовать повышающие редукторы, которые увеличивают как стоимость ВЭУ, так и обслуживания. Здесь заменителем редуктора могут быть новые типы многополосных генераторов, работающих при меньших частотах вращения. 4. В конструкции ВЭУ, как правило, предусматривается возможность отключения генератора от ветроколеса и вращение его от химического или механического аккумулятора энергии; поэтому систему управления генератором не связывают с работой ветроколеса. При отсутствии такой связи, даже при «мягком» соединении генератора с ветроколесом, необходимы специальные демпфирующие устройства для того, чтобы исключить механические удары, перегрузки или броски напряжений на выходе генератора, особенно при резких порывах ветра или при шторме. Кроме того, следует учитывать специфические требования, предъявляемые к выходным параметрам ВЭУ, а именно: 1. Наиболее благоприятные ветровые условия существуют, как правило, в малонаселенных регионах, на островах, на побережье морей. Требования к электроэнергии в таких районах весьма специфичны, но почти наверняка ее здесь требуется гораздо меньше, чем в развитых промышленных регионах. 2. Анализ потребителей электроэнергии показывает, что лишь 5-10% из них предъявляют определенные требования к ее параметрам (например, к частоте). Поэтому целесообразно так строить систему электроснабжения, чтобы она могла обеспечивать потребителей как дешевой электроэнергией с нестабилизированными параметрами (например, для отопления), так и относительно дорогой, но со стабильными параметрами. 3. Энергосистемы в сельской местности обычно маломощные и относительно низковольтные (менее 35 кВ), при передаче энергии на большие расстояния возникает много проблем, связанных с ее потерями, поэтому подключение ВЭУ к таким системам нецелесообразно. 4. Так как периоды безветрия неизбежны, то для исключения перебоев в электроснабжении ВЭУ должны иметь аккумуляторы энергии, или быть зарезервированы электроэнергетическими установками других типов. Совершенно очевидно, что развитие ветроэнергетики будет способствовать прогрессу во всей электроэнергетике, в том числе и в традиционном энергомашиностроении.
Контрольные вопросы
1. Классификация и основные характеристики ветроэнергетических установок. 2. Признаки классификации ветроэнергетических устновок. 3. Ветроэнергетические установки с горизонтальной осью. 4. Типы вертикально-осевых ветроэнергетических установок. 5. Классификация ветроэнергетических установок по мощности ВЭУ и энергосистемы. 6. Основные причины возникновения ветров. Виды ветров. 7. Общая харектеристика ветров и их анализ. 8. Режимы работы ветроколеса. 9. Производство и распределение электроэнергии от ветроэнергетических установок. 10. Требования, предъявляемые к выходным параментрам ветроэнергетических установок.
poisk-ru.ru Ветроэнергетическое устройство с бесконсольным креплением лопастей и способ регулирования частоты вращения ветроколеса
Ветроэнергетическое устройство с бесконсольным креплением лопастей и способ регулирования частоты вращения ветроколеса относятся к ветроэнергетическим двигателям большой мощности для использования энергии ветра и выработки электрической энергии. Технический результат заключается в увеличении нагрузочной способности лопастей и ветроколеса, единичной мощности ветроагрегата, уменьшении массы лопастей, обеспечивается наличием тросов и растяжек, обеспечивающих равномернораспределенную передачу реакции ветрового потока от лопастей ветроколеса на его ободья. Повышение эффективности отбора мощности воздушного потока, обеспечение переменного напряжения постоянной частоты для подачи электроэнергии в сети существующих систем в более широком диапазоне изменения скорости ветра и скорости вращения ветроколеса обеспечивается изменением угла наклона лопастей, что осуществляется поворотом ободьев ветроколеса относительно друг друга. Этим же целям служит сначала поочередное отключение от нагрузки генераторов, соединенных последовательно при минимальной скорости ветроколеса, а затем поочередное подключение к нагрузке параллельно, пропорционально увеличению скорости ветроколеса. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил. Ветроэнергетическое устройство с бесконсольным креплением лопастей и способ регулирования частоты вращения ветроколеса относится к ветроэнергетическим двигателям большой мощности для использования энергии ветра и выработки электрической энергии. Уровень техники. Известны ветродвигатели с диффузором и ветроколесом лопасти, которого консольно закреплены в центральной втулке, расположенной на оси вращения вместе с подшипником, механизмом изменения угла установки лопастей, системой передачи вращающего момента, редуктором и генератором. [1] с. 134. Такая конструкция обуславливает большие изгибающие моменты в лопастях ветроколеса, особенно в месте их крепления к втулке, накладывает ограничение на диаметр ветроколеса, обуславливает высокую удельную стоимость лопастей ветроэнергетических устройств. Большая масса ветроколеса создает при вращении большие силы инерции, что затрудняет его быструю остановку без повреждений. Сущность изобретения. Целью изобретения является создание ветроэнергетического устройства с ветроколесом, обеспечивающим равномернораспределенную передачу реакции ветрового потока от вращающихся лопастей к неподвижным элементам. Предлагаемое ветроэнергетическое устройство с бесконсольным креплением лопастей содержит поворотную платформу 1 (фиг. 1) для ориентации устройства по направлению ветра. На платформе 1 для концентрации энергии ветра находится диффузор 2. В диффузоре 2 размещены радиальные неподвижные стойки 3 на которых установлен осевой подшипник 4 с горизонтальной осью 5. Подшипник 4 может перемещаться вдоль своей оси относительно стоек 3 и фиксироваться в заданном положении. Ветроколесо содержит передний (по ходу ветрового потока) обод 6 и задний обод 7 с горизонтальной осью вращения, вращающиеся на ведомых колесах 8 и свободных роликах 9, равномерно размещенных по внутреннему периметру диффузора 2. (фиг. 4). Для устойчивого положения ободьев 6 и 7 ведомые колеса 8 и свободные ролики 9 расположены с противоположных сторон по периметру поперечного сечения ободьев 6 и 7 (фиг. 2). Ведомые колеса 8 контактирующие с ободьями 6 и 7 расположены соосно и соединены попарно валами 10. Для управления взаимным перемещением (поворотом) ободьев 6 и 7 валы 10 содержат управляемые, например электромагнитные, муфты 11 обеспечивающие соединение и разъединение валов 10. При включенных муфтах 11 обеспечивается синхронное вращение ободьев 6 и 7, а при отключенных муфтах 11 ободья 6 и 7 имеют возможность поворота относительно друг друга и вращения с различными угловыми скоростями. Валы 10 соединяют ведомые колеса 8 с синхронными генераторами 12, которые преобразуют механическую энергию ветроколеса в электрическую. Синхронные генераторы 12 системой управления могут отключаться и подключаться к нагрузке как параллельно, так и последовательно. Равномерное распределение генераторов 12 на ободьях 6 и 7 обеспечивает их равномерное нагружение по всему периметру моментами сопротивления вращению, со стороны генераторов 12, что в свою очередь уменьшает требования к жесткости ободьев, позволяет уменьшить их массу. Для крепления лопастей ветроколесо содержит радиально расположенные передние тросы 13 и задние тросы 14. (фиг. 5). Передние тросы 13 подвешены одним концом на внутреннем ребре жесткости переднего обода 6, а другим концом на фланце горизонтальной оси 5. Задние тросы 14 подвешены одним концом на внутреннем ребре жесткости заднего обода 7, а другим концом на фланце горизонтальной оси 5. Плоскость вращения центральных точек подвеса 15 и 16 тросов 13 и 14 (фиг. 3) смещена относительно плоскости вращения периферийных точек подвеса 17 и 18 (фиг. 2) в направлении противоположном ветровому потоку так, чтобы при ветровой нагрузке линии прогиба тросов 13 и 14 в данных точках располагались в направлении, обеспечивающем равномерное нагружение ободьев 6 и 7 например, по касательной к плоскости их вращения. Такое расположение точек подвеса обеспечивает уменьшение нагрузки от лобового сопротивления лопастей 19, передаваемой на ободья 6 и 7, ведомые колеса 8, свободные ролики 9 и диффузор 2. Перемещением горизонтальной оси 5 вдоль оси вращения ветроколеса обеспечивается регулировка натяжения и линии прогиба в точках подвеса передних 13 и задних 14 тросов. Каждая лопасть 19 (фиг. 5) ветроколеса закреплена между передним тросом 13 и задним тросом 14. Требуемый угол наклона лопасти 19 к направлению ветрового потока обеспечивается относительным смещением периферийных точек подвеса 17 и 18 соответственно переднего троса 13 и заднего троса 14. Передние растяжки 20 крепятся одним концом к промежуточным точкам передних тросов 13, а другим концом к внутреннему ребру жесткости переднего обода 6 в направлении противоположном реакции ветрового потока. Аналогично задние растяжки 21 крепятся одним концом к промежуточным точкам задних тросов 14, а другим концом к внутреннему ребру жесткости заднего обода 7 в направлении противоположном реакции ветрового потока. Точки крепления передних растяжек 20 и задних растяжек 21 на ободьях 6 и 7 распределены так, чтобы обеспечить равномерное распределение усилий передаваемых на ободья от лопастей 19. Наличие растяжек 20 и 21 также обеспечивает снижение требований к жесткости лопастей 19, что позволяет уменьшить их массу и стоимость. Для торможения ветроколеса в целях управления и в экстренных ситуациях служат тормозные прокладки 22 и 23 обеспечивающие торможение соответственно переднего обода 6 и заднего обода 7 при контакте с боковыми поверхностями внутренних ребер жесткости 24 (фиг. 2). При набегании потока воздуха на лопасти 19, установленные под соответствующим углом, начинают действовать силы передающиеся через передние тросы 13 и растяжки 20 на передний обод 6, а через задние тросы 14 и растяжки 21 на обод 7. Часть этих сил создает крутящий момент, приложенный к ветроколесу, а другая образует силу лобового сопротивления потоку воздуха (фиг. 5). Лобовое сопротивление лопастей 19 ветровому потоку воспринимается через передние тросы 13, задние тросы 14, передние и задние растяжки 20 и 21 ободьями 6 и 7, а под действием крутящего момента ободья 6 и 7 приводятся во вращение против часовой стрелки, если смотреть со стороны набегающего потока. От ободьев 6 и 7 крутящий момент передается на ведомые колеса 8, а от них через вал 10 синхронным генераторам 12. Вращение синхронных генераторов 12 приводит к созданию в цепи электродвижущей силы (ЭДС). Частота вращения ветроколеса при изменении скорости ветрового потока регулируется изменением угла установки лопастей 19, и/или изменением количества и схемы подключения к нагрузке генераторов 12. При увеличении скорости ветрового потока и, соответственно, угловой скорости ветроколеса, система автоматического управления (на схеме не показана) одновременно отключает электромагнитные муфты 11 и включает тормозные прокладки 23. Тормозные прокладки 23 прижимаются к боковым поверхностям ребра жесткости обода 7 с таким усилием, чтобы суммарный момент сопротивления вращению переднего обода 6 оказался меньше суммарного момента сопротивления вращению заднего обода 7. В результате обод 7 замедлится и повернется относительно обода 6, а угол наклона лопасти 19 по отношению к набегающему потоку уменьшится. После уменьшения до заданного угла наклона лопастей 19, муфты 11 включаются, а тормозные прокладки 23 отводятся от обода 7 и ободья 6 и 7 продолжают вращаться синхронно. Уменьшение угла наклона лопастей 19 приводит к уменьшению крутящего момента, создаваемого ветровым потоком и, соответственно сохранению заданной угловой скорости. При уменьшении скорости ветрового потока и, соответственно, угловой скорости ветроколеса, система автоматического управления одновременно отключает электромагнитные муфты 11 и включает тормозные прокладки 22. Тормозные прокладки 22 прижимаются к боковым поверхностям ребра жесткости переднего обода 6 с таким усилием, чтобы суммарный момент сопротивления вращению переднего обода 6 оказался больше суммарного момента сопротивления вращению заднего обода 7. В результате передний обод 6 замедлится и повернется относительно заднего обода 7, а угол наклона лопасти 19 по отношению к набегающему потоку увеличится. После увеличения до заданного угла наклона лопастей 19, муфты 11 включаются, а тормозные прокладки 22 отводятся от обода 6. Увеличение угла наклона лопастей 19 приводит к увеличению крутящего момента, создаваемого ветровым потоком и, соответственно сохранению заданной угловой скорости. При работе с минимальной нагрузкой (скоростью ветрового потока) все генераторы 12 подключены к электрической нагрузке последовательно. При низкой угловой скорости вращения генераторов 12, каждый из них создает небольшую по величине ЭДС переменного тока и постоянной частоты, но суммарная ЭДС, последовательно подключенных генераторов 12, достаточна для подачи элетроэнергии в сеть. Общая мощность вырабатываемой электроэнергии также минимальна. Увеличение скорости ветрового потока, при постоянном угле наклона лопастей 19, приведет к увеличению скорости вращения ветроколеса, силы тока, ЭДС на каждом генераторе и суммарной мощности, создаваемой всеми последовательно подключенными генераторами. Автоматическая система управления при этом поочередно отключает генераторы 12 так, чтобы суммарная ЭДС находилась в заданном диапазоне, а увеличение крутящего момента, действующего со стороны ветра, уравновесилось суммарным моментом сопротивления вращению со стороны последовательно подключенных к нагрузке генераторов 12. Когда скорость вращения ветроколеса под влиянием ветрового потока увеличится до скорости, при которой система управления оставит в цепи генераторов 12 только один, то она же начнет поочередно подключать генераторы 12 к сети, но не последовательно друг другу, а параллельно. При этом каждый генератор вырабатывает ЭДС с номинальным для данных генераторов и сети напряжением. Общая мощность электроэнергии вырабатываемой генераторами продолжает увеличиваться. За счет большого количества установленных генераторов 12 поочередное их отключение или отключение позволяет многоступенчато регулировать момент сопротивления вращению ветроколеса и обеспечивать этим регулирование угловой скорости вращения ветроколеса. Для остановки ветроколеса в экстренных ситуациях тормозные прокладки 22 и 23 прижимаются системой управления к боковой поверхности ребра жесткости ободьев 6 и 7, создавая момент сил трения направленный противоположно вращению ветроколеса. Размещение тормозных прокладок 22 и 23 (фиг. 2) на периферии ветроколеса позволяет увеличить эффективность торможения и уменьшить возможность поломки лопастей. Источники информации 1. Под ред. Д.де Рензо. Ветроэнергетика, М.: Энергоатомиздат, 1982, с. 134.Формула изобретения 1. Ветроэнергетическое устройство с бесконсольным креплением лопастей ветроколеса, содержащее центральный подшипник, периферийные опоры, горизонтальную ось вращения, концентратор энергии в виде входного сужающегося конусообразного диффузора, генератор и систему управления поворотом лопастей, отличающееся тем, что ветроколесо содержит не менее двух вращающихся ободьев, между которыми на передних и задних тросах крепятся лопасти, причем передние и задние кромки соединены передними и задними растяжками с ободьями, а плоскость вращения центральных точек подвеса тросов, на которых крепятся лопасти, смещена относительно плоскости вращения периферийных точек подвеса в направлении, противоположном ветровому потоку. 2. Способ регулирования частоты вращения ветроколеса, кинематически связанного с генераторами путем изменения угла наклона лопастей к набегающему потоку, отличающийся тем, что изменение угла наклона лопастей осуществляют поворотом ободьев ветроколеса относительно друг друга. 3. Способ регулирования по п.2, отличающийся тем, что генераторы, соединенные последовательно при минимальной скорости ветроколеса, поочередно отключают от нагрузки (из цепи), а затем поочередно подключают к нагрузке параллельно (в цепь), пропорционально увеличению скорости ветроколеса.РИСУНКИ Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5www.findpatent.ru Типы ветроэнергетических установок | ВЕТРОДВИГ.RUВетряные мельницыИсторически первым стационарным агрегатом, использующим энергию ветра, была ветряная мельница, которая вручную ориентировалась на ветер. Основным ее рабочим органом являлось многолопастное колесо с горизонтальной осью вращения, устанавливаемое по направлению ветра. Такие ветродвигатели широко применялись в средние века и в последующем для размола зерна, подъема и перекачки воды, а также для привода некоторых производств. Крупные ветряные мельницы заводского изготовления при высоких скоростях ветра могли развивать мощность до 60 кВт. В XIX веке число ветряных мельниц на территории России превышало 200 тысяч, их суммарная мощность составляла примерно 1,3 млн. кВт, а в 1930 г. в СССР их насчитывалось более 800 тыс. штук. Ветроколеса крыльчатых ветроустановок: 1 — много¬лопастное, 2 — трехлопастное, 3 — двухлопастное, 4 — однолопастное с противовесомВ настоящее время известно много различных типов ветряных мельниц — ветроэнергетических установок (ВЭУ). Широкое распространение имеют ветроустановки с крыльчатыми ветроколесами и горизонтальной осью вращения. Среди них наибольшее развитие получили двух- и трехлопастные ветроколеса. Вращающий момент ветроколеса создается подъемной силой, образующейся при обтекании профиля лопастей воздушным потоком. В результате кинетическая энергия воздушного потока в пределах площади, ометаемой лопастями, преобразуется в механическую энергию вращения ветроколеса. ветряных мельниц ветряных мельниц[adsense_id=»1″]Мощность, развиваемая на оси ветроколеса, пропорциональна квадрату его диаметра и кубу скорости ветра. По классической теории Н.Е. Жуковского для идеального ветроколеса коэффициент использования энергии ветра £ = 0,593. То есть идеальное ветроколесо (с бесконечным числом лопастей) может извлечь 59,3% энергии, проходящей через его поперечное сечение. Реально на практике у лучших быстроходных колес максимальное значение коэффициента использования энергии ветра доходит до 0,45-0,48, а у тихоходных — до 0,36-0,38.Важной характеристикой ветроколеса является его быстроходность Z, представляющая отношение скорости движения конца лопасти к скорости ветрового потока. Конец лопасти обычно движется в плоскости ветроколеса со скоростью, которая в несколько раз выше скорости ветра. Оптимальные значения быстроходности двухлопастного колеса — 5-7, трехлопастного — 4-5, шестилопастного — 2,5-3,5. ветряных мельниц Из конструктивных характеристик на мощность ветроколеса основное влияние оказывают его диаметр, а также форма и профиль лопастей. Мощность мало зависит от числа лопастей. Частота вращения ветроколеса пропорциональна быстроходности и скорости ветра и обратно пропорциональна диаметру. На величину мощности влияет также высота расположения центра колеса, так как скорость ветра зависит от высоты. Мощность ВЭУ, как отмечалось, пропорциональна скорости ветра в третьей степени. При расчетной скорости ветра и выше обеспечивается работа ВЭУ с номинальной мощностью. При скоростях ветра ниже расчетной мощность ветроустановки может составлять 20 — 30% от номинальной и менее. При таких режимах работы происходят большие потери энергии в генераторах вследствие их низких к.п.д. на малых нагрузках, а в асинхронных генераторах возникают,кроме того, большие реактивные токи, которые необходимо компенсировать. Для исключения этого недостатка в некоторых ВЭУ применяют 2 генератора с номинальными мощностями 100 и 20 — 30% от номинальной мощности ВЭУ. При слабых ветрах первый генератор отключается. В некоторых ВЭУ малый генератор обеспечивает также возможность работы установки при малых скоростях ветра при пониженных оборотах с высоким значением коэффициента использования энергии ветра. ветряных мельниц Установка ветроколеса на ветер, т.е. перпендикулярно к направлению ветра, производится в агрегатах очень малой мощности с помощью хвоста (хвостового оперения), в агрегатах небольшой и средней мощности — посредством механизма виндроз, а в современных крупных установках — специальной системой ориентирования, получающей управляющий импульс от датчика направления ветра (флюгера), установленного наверху на гондоле ветроустановки. Механизм виндроз представляет собой одно или два небольших ветроколеса, плоскость вращения которых перпендикулярна к плоскости вращения основного колеса, работающих на привод червяка, поворачивающего платформу головки ветродвигателя до тех пор, пока виндрозы не будут лежать в плоскости, параллельной направлению ветра. Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться перед башней и за ней. В последнем случае лопасть подвергается постоянному многократному воздействию переменных сил при прохождении в тени башни, что одновременно значительно повышает уровень шума. Для регулирования мощности и ограничения частоты вращения ветроколеса применяется ряд способов, в том числе поворот лопастей или их части вокруг своей продольной оси, а также закрылки, клапаны на лопастях и другие способы. ветряных мельниц Основными преимуществами ветроустановок с горизонтальной осью вращения ветроколеса является то, что условия обтекания лопастей воздушным потоком постоянны, не изменяются при повороте ветроколеса, а определяются только скоростью ветра. Благодаря этому, а также достаточно высокому значению коэффициента использования энергии ветра, ВЭУ крыльчатого типа в настоящее время получили наибольшее распространение. Ротор Савониуса: а) двухлопастный, б) четырехлопастныйДругой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса.Вращающий момент возникает при обтекани ротора Савониуса потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора Савониуса. Колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра — всего 0,1 — 0,15. ветряных мельниц[adsense_id=»1″] Ветроэнергетические установки (Дарье) с верти¬кальным ротором: а — Ф-образный, б — Л-образ- ный, в — с прямыми лопастями. 1 — башня (вал), 2 — ротор, 3 — растяжки, 4 — опора, 5 — передача вращающего моментаВ последние годы в ряде зарубежных стран, особенно в Канаде, начали заниматься разработкой ветродвигателя с ротором Дарье, предложенным во Франции в 1920 г. Этот ротором Дарье имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух-четырех изогнутых лопастей. Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается под действием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,30 — 0,35. В последнее время проводятся разработки роторного двигателя Дарье с прямыми лопастями. Ветряные мельницы с вертикального типаГлавным преимуществом ветроустановок(роторов) Дарье является то, что они не нуждаются в механизме ориентации на ветер. У них генератор и другие механизмы размещаются на незначительной высоте возле основания. Все это существенно упрощает конструкцию. Однако серьезным органическим недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора Дарье, циклично повторяющееся при работе. Это может вызывать усталостные явления и приводить к разрушению элементов ротора Дарье и серьезным авариям, что должно учитываться при конструировании ротором Дарье (особенно при больших мощностях ВЭУ). Кроме того, для начала работы их требуется раскрутить. Зависимости коэффициента использования энергии ветра £, от быстроходности Z для различных ветряных мельниц приведены на рисунке. Типовые зависимости коэффициента использования энергии ветра £ от быстроходности ветроколеса Z: 1 — идеальное крыльчатое ветроколесо; 2,3 и 4 — двух¬, трех- и многолопастные крыльчатые ветроколеса; 5 — ротор Дарье; 6 — ротор Савониуса; 7 — четырехло- пастное ветроколесо датской мельницыВидно, что наибольшее значение £ имеют двух- и трехлопастные колеса с горизонтальной осью вращения. Для них высокое £ сохраняется в широком диапазоне быстроходности Z. Последнее существенно, так как ветроустановкам приходится работать при скоростях ветра, изменяющихся в больших пределах. Именно поэтому установки этого типа получили в последние годы наибольшее распространение. ветряная мельница[adsense_id=»1″] Понравилось это:Нравится Загрузка... vetrodvig.ru |
|
|||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
|
. (1)
, (2)
. (3)
, (4)
. (5)
. (6)
, (3.4)
, (3.5)
Вт
(3.6)
(3.7)
