Классификация ветроустановок

Ветроэнергетические установки классифицируются по двум основным признакам-геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра. На рис. 9.2 показаны взаимодействие воздушного потока с лопастью ветроколеса и возникающие при этом силы.

Пусть воздушный поток, имеющий скорость и, набегает на лопасть, перемещающуюся со скоростью v_r. тогда скорость потока относительно лопасти будет v_r . При взаимодействии потока с лопастью возникают:

1. сила сопротивления F_D , параллельная вектору относительной скорости набегающего потока v_r;
2. подъемная сила F_L, перпендикулярная силе F_D . Слово «подъемная» в этом термине, конечно, не означает, как в аэродинамике, что эта сила направлена вверх
3. завихрение обтекающего лопасти потока. В результате это приводит к закрутке воздушного потока за плоскостью ветроколеса, т. е. к его вращению относительно вектора скорости набегающего потока
4. турбулизация потока, т. е. хаотические возмущения его скорости по величине и направлению. Турбулентность возникает как за колесом, так и перед ним, в результате лопасть часто оказывается в потоке, турбулизированном другими лопастями
5. препятствие для набегающего потока. Это его свойство характеризуется параметром, называемым геометрическим заполнением и равным отношению площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к ометаемой ими площади. Так, например, при одинаковых лопастях четырехло-пастное колесо имеет вдвое большее геометрическое заполнение, чем двухлопастное.

Классификация ветроустановок

Основные классифицирующие признаки ветроэнергетических установок можно определить с помощью приведенного ниже опросника (рис. 9.3).

Рис. 9.2. Скорости элемента лопасти и действующие на него силы: и - скорость ветра, v - скорость элемента лопасти; v, - скорость элемента лопасти относительно ветра; FD - сила лобового сопротивления, действующая в направлении скорости vr, FL - подъемная сила, перпендикулярная силе FD

Рис. 9.3. Классификация ветроколес: с горизонтальной осью (а), приведены способы ориентации при переднем расположении ветроколеса; с вертикальной осью (б); с концентраторами (усилителями) ветрового потока (в); 1 - однолопастное колесо; 2 - двухлопастное; 3 - трехлопастное; 4 - многолопастное; 5 - чашечный анемометр; 6 - ротор Савониуса; 7 - ротор Дарье; 8 - ротор Масгрува; 9 - ротор Эванса; 10 - усилитель потока

1. Ось вращения ветроколеса параллельна или перпендикулярна воздушному потоку? В первом случае установка будет горизонтально-осевой, во втором - обычно вертикально-осевой.
2. Вращающей силой является сила сопротивления или подъемная сила? Установки, использующие силу сопротивления (драг-машины), как правило, вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра, а установки, использующие подъемную силу (лифт-машины), имеют линейную скорость концов лопастей, существенно большую скорости ветра. Здесь та же ситуация, как с парусными судами типа яхт, которые могут передвигаться быстрее ветра.
3. Чему равно геометрическое заполнение ветроколеса? Для большинства установок оно определяется числом лопастей. ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабом ветре и максимум мощности достигается при небольших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот режим. Поэтому первые установки используются, например, в качестве водяных насосов и даже при слабом ветре сохраняют работоспособность, вторые - в качестве электрогенераторов, где требуется высокая частота вращения.
4. Для какой цели предназначена ветроэнергетическая установка? Установки для непосредственного выполнения механической работы часто называют ветряной мельницей или турбиной, установки для производства электроэнергии, т. е. совокупность турбины и электрогенератора, называют ветроэлектрогене-раторами, аэрогенераторами, а также установками с преобразованием энергии.
5. Частота вращения ветроколеса постоянна или зависит от скорости ветра? У аэрогенераторов, подключенных напрямую к мощной энергосистеме, частота вращения постоянна вследствие эффекта автосинхронизации, но такие установки менее эффективно используют энергию ветра, чем установки с переменной частотой вращения.
6. Ветроколесо соединено с электрогенератором напрямую (жесткое сопряжение) или через промежуточный преобразователь энергии, выполняющий роль буфера? Наличие буфера уменьшает последствия флуктуации частоты вращения ветроколеса, позволяет более эффективно использовать энергию ветра и мощность электрогенератора. Кроме того, существуют частично развязанные схемы соединения колеса с генератором, называемые мягкосопряженными. Таким образом, нежесткое соединение наряду с инерцией ветроколеса уменьшают влияние флуктуации скорости ветра на выходные параметры электрогенератора. Уменьшить это влияние позволяет также упругое соединение лопастей с осью ветроколеса, например с помощью подпружиненных шарниров.

Классификация ветроэлектрогенераторов на основе перечнеленных выше признаков представлена на рис. 9.3, который, конечно, не исчерпывает всего многообразия возможных конструкций ветроустановок. Особенно это касается наиболее перспективных установок, использующих специальные устройства для увеличения скорости набегающего ветрового потока.

Похожие материалы