Исторически 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 противовесом
В настоящее время известно много различных типов ветряных мельниц — ветроэнергетических установок (). 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
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 (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 , 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 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
Ветроэнергетические установки () 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 момента
В 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 типа
Главным 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 мельницы
Видно, 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.
Большинство типов ветродвигателей известны так давно, что история умалчивает имена их изобретателей.
Типы ветрогенераторов:
Основные разновидности ветроагрегатов изображены на рисунке. Они делятся на две группы:
ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) (2...5);
ветродвигатели с вертикальной осью вращения (карусельные: лопастные (1) и ортогональные (6)).
Типы крыльчатых ветродвигателей отличаются только количеством лопастей.
Крыльчатые
Для крыльчатых ветродвигателей, наибольшая эффективность которых достигается при действии потока воздуха перпендикулярно к плоскости вращения лопастей-крыльев, требуется устройство автоматического поворота оси вращения.
С этой целью применяют крыло-стабилизатор.
Карусельные ветродвигатели обладают тем преимуществом, что могут работать, при любом направлении ветра не изменяя своего положения.
Коэффициент использования энергии ветра (см. рис.) у крыльчатых ветродвигателей намного выше чем у карусельных.
В то же время, у карусельных - намного больше момент вращения.
Он максимален для карусельных лопастных агрегатов, при нулевой относительной скорости ветра.
Распространение крыльчатых ветроагрегатов объясняется величиной скорости их вращения.
Они могут непосредственно соединяться с генератором электрического тока без мультипликатора.
Скорость вращения крыльчатых ветродвигателей - обратно пропорциональна количеству крыльев, поэтому, агрегаты с количеством лопастей больше трёх, практически не используются.
Карусельные
Различие в аэродинамике, даёт карусельным установкам преимущество, в сравнении с традиционными ветряками.
При увеличении скорости ветра, они быстро наращивают силу тяги, после чего, скорость вращения стабилизируется.
Карусельные ветродвигатели - тихоходны и это позволяет использовать простые электрические схемы, например, с асинхронным генератором, без риска потерпеть аварию, при случайном порыве ветра.
Тихоходность выдвигает одно ограничивающее требование - использование многополюсного генератора работающего на малых оборотах.
Такие генераторы не имеют широкого распространения, а использование мультипликаторов (мультипликатор [лат. Multiplicator - умножающий] - повышающий редуктор) - не эффективно, из-за низкого КПД последних.
Ещё более важным преимуществом карусельной конструкции стала её способность, без дополнительных ухищрений, следить за тем «откуда дует ветер», что весьма существенно для приземных рыскающих потоков.
Ветродвигатели подобного типа строятся в США, Японии, Англии, ФРГ, Канаде.
Карусельный лопастный ветродвигатель наиболее прост в эксплуатации. Его конструкция обеспечивает максимальный момент, при запуске ветродвигателя и автоматическое саморегулирование максимальной скорости вращения в процессе работы.
С увеличением нагрузки, уменьшается скорость вращения и возрастает вращающий момент вплоть до полной остановки.
Ортогональные
Ортогональные ветроагрегаты, как полагают специалисты, перспективны для большой энергетики.
Сегодня перед ветропоклонниками ортогональных конструкций стоят определённые трудности. Среди них, в частности, проблема запуска.
В ортогональных установках используется тот же профиль крыла, что и в дозвуковом самолёте (см. рис. 6).
Самолёт, прежде чем «опереться» на подъёмную силу крыла, должен разбежаться. Так же обстоит дело и в случае с ортогональной установкой.
Сначала к ней нужно подвести энергию - раскрутить и довести до определённых аэродинамических параметров, а уже потом, она сама перейдёт из режима двигателя в режим генератора.
Отбор мощности начинается, при скорости ветра около 5 м/с, а номинальная мощность достигается при скорости 14...16 м/с.
Предварительные расчёты ветроустановок предусматривают их использование в диапазоне от 50 до 20 000 кВт.
В реалистичной установке, мощностью 2000 кВт, диаметр кольца, по которому движутся крылья, составит около 80 метров.
У мощного ветродвигателя большие размеры. Однако, можно обойтись и малыми - взять числом, а не размером.
Снабдив каждый электрогенератор отдельным преобразователем, можно просуммировать выходную мощность вырабатываемую генераторами.
В этом случае, повышается надёжность и живучесть ветроустановки.
ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ
устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат - колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.
Историческая справка.
Хотя приземные ветры дуют не всегда, меняют свое направление и сила их непостоянна, ветродвигатель представляет собой одну из древнейших машин для получения энергии из природных источников. Из-за сомнительной надежности древних письменных сообщений о ветродвигателях не вполне ясно, когда и где такие машины появились впервые. Но, судя по некоторым записям, они существовали уже до 7 в. н.э. Известно, что в Персии их применяли в 10 в., а в Западной Европе первые устройства этого типа появились в конце 12 в. В течение 16 в. окончательно сформировался шатровый тип голландской ветряной мельницы. Особых изменений в их конструкции не наблюдалось вплоть до начала 20 в., когда в результате исследований были значительно усовершенствованы формы и покрытия крыльев мельниц. Поскольку низкооборотные машины громоздки, во второй половине 20 в. стали строить высокооборотные ветродвигатели, т.е. такие, ветроколеса которых могут совершать большое число оборотов в минуту с высоким коэффициентом использования энергии ветра.
Современные типы ветродвигателей.
В настоящее время применяются три основных типа ветродвигателей - барабанный, крыльчатый (винтового типа) и роторный (с S-образным профилем репеллера).
Барабанный и крыльчатый.
Хотя ветроколесо барабанного типа имеет наименьший коэффициент использования энергии ветра по сравнению с другими современными репеллерами, применяется оно наиболее широко. На многих фермах с его помощью качают воду, если по какой-либо причине нет сетевого электричества.
Типичная форма такого колеса с лопастями из листового металла приведена на рис. 1. Ветроколеса барабанного и крыльчатого типа вращаются на горизонтальном валу, так что их необходимо поворачивать на ветер, чтобы получить наилучшие эксплуатационные характеристики. Для этого им придается руль направления - лопасть, расположенная в вертикальной плоскости, чем и обеспечивается разворот ветроколеса на ветер. Диаметр колеса крупнейшего в мире ветродвигателя крыльчатого типа составляет 53 м, максимальная ширина его лопасти равна 4,9 м. Ветроколесо напрямую соединено с электрическим генератором мощностью 1000 кВт, которая развивается при скорости ветра не менее 48 км/ч. Его лопасти регулируются таким образом, что скорость вращения ветроколеса остается постоянной и равной 30 об/мин в диапазоне скоростей ветра от 24 до 112 км/ч. Благодаря тому, что в местности, где располагают такие ветродвигатели, ветры дуют довольно часто, ветроэнергетическая установка обычно вырабатывает ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ50% максимальной мощности и питает общественную электросеть. Крыльчатые ветродвигатели широко применяются в отдаленных сельских районах для обеспечения электроэнергией ферм, в том числе для зарядки аккумуляторов систем радиосвязи. Их также используют в бортовых энергетических установках самолетов и управляемых ракет.
S-образный ротор.
Установленный на вертикальном валу S-образный ротор (рис. 2) хорош тем, что ветродвигатель с таким репеллером не надо выводить на ветер. Хотя крутящий момент на его валу меняется от минимального до одной трети от максимального значения за полоборота, он не зависит от направления ветра. Когда гладкий круговой цилиндр вращается, находясь под действием ветра, на тело цилиндра действует сила, перпендикулярная направлению ветра. Это явление называется эффектом Магнуса, в честь немецкого физика, который его изучал (1852). В 1920-1930 А.Флеттнер применил вращающиеся цилиндры (роторы Флеттнера) и S-образные роторы взамен лопастных ветроколес, а также как движители корабля, который совершил переход из Европы в Америку и обратно.
Коэффициент использования энергии ветра. Мощность, получаемая от ветра, обычно мала - менее 4 кВт развивает агрегат устаревшего типа голландской ветряной мельницы при скорости ветра 32 км/ч. Мощность потока ветра, которую можно использовать, образуется из кинетической энергии масс воздуха, проносящихся в единицу времени перпендикулярно площади заданного размера. В ветродвигателе эта площадь определяется наветренной поверхностью репеллера. При учете высоты над уровнем моря, давления воздуха на ней и его температуры располагаемая мощность N (в кВт) на единицу площади определяется уравнением N = 0,0000446 V3 (м/с). Коэффициент использования энергии ветра определяется обычно как отношение мощности, развиваемой на валу ветродвигателя, к располагаемой мощности ветрового потока, воздействующего на наветренную поверхность ветроколеса. Максимальным этот коэффициент становится при определенном соотношении между скоростью внешнего края лопасти ветроколеса w и скорости ветра u; значение этого соотношения w/u зависит от типа ветродвигателя. Коэффициент использования энергии ветра зависит от вида ветроколеса и составляет от 5-10% (голландская мельница с плоскими крыльями, w/u = 2,5) до 35-40% (профилированный крыльчатый репеллер, 5 Ј w/u Ј 10).
ЛИТЕРАТУРА
Ветроэнергетика. М., 1982 Ярас Л. и др. Энергия ветра. М., 1982
Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .
Синонимы :Смотреть что такое "ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ" в других словарях:
Ветродвигатель … Орфографический словарь-справочник
Двигатель, пневмоветродвигатель, ветряк, виндротор Словарь русских синонимов. ветродвигатель сущ., кол во синонимов: 4 ветряк (8) … Словарь синонимов
Использует энергию ветра для выработки механической энергии. Распространены преимущественно крыльчатые ветродвигатели, у которых ось вращения ветроколеса совпадает с направлением воздушного потока … Большой Энциклопедический словарь
ветродвигатель - ВД Устройство для преобразования ветровой энергии в механическую энергию вращения ветроколеса. [ГОСТ Р 51237 98] Тематики ветроэнергетика Синонимы ВД EN wind motor … Справочник технического переводчика
ветродвигатель - ветряной двигатель … Словарь сокращений и аббревиатур
ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ - (ветряной двигатель) двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. Примитивный вид В. ветряная мельница. Различают В.: крыльчатые, карусельные, или роторные, и барабанные … Большая политехническая энциклопедия
Двигатель, использующий кинетическую энергию ветра для выработки механической энергии. В качестве рабочего органа В., воспринимающего энергию (давление) ветрового потока и преобразующего её в механическую энергию вращения вала, применяют… … Большая советская энциклопедия
Машина, преобразующая кинетическую энергию ветра в механическую энергию. Рабочим органом ветродвигателя является ветроколесо, воспринимающее напор воздушного потока и преобразующее его в механическую энергию вращения вала. Различают… … Энциклопедия техники
Я; м. Двигатель, приводимый в действие силой ветра. * * * ветродвигатель использует энергию ветра для выработки механической энергии. Распространены преимущественно крыльчатые ветродвигатели, у которых ось вращения ветроколеса совпадает с… … Энциклопедический словарь
Двигатель, использующий кинетич. энергию ветра для выработки механич. энергии. Различают В. крыльчатые (см. рис.), как правило, с горизонтальной осью вращения, с коэфф. использования энергии ветра до 0,48 (наиболее распространены); карусельные,… … Большой энциклопедический политехнический словарь
Содержание статьи
ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ, устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.
Историческая справка.
Хотя приземные ветры дуют не всегда, меняют свое направление и сила их непостоянна, ветродвигатель представляет собой одну из древнейших машин для получения энергии из природных источников. Из-за сомнительной надежности древних письменных сообщений о ветродвигателях не вполне ясно, когда и где такие машины появились впервые. Но, судя по некоторым записям, они существовали уже до 7 в. н.э. Известно, что в Персии их применяли в 10 в., а в Западной Европе первые устройства этого типа появились в конце 12 в. В течение 16 в. окончательно сформировался шатровый тип голландской ветряной мельницы. Особых изменений в их конструкции не наблюдалось вплоть до начала 20 в., когда в результате исследований были значительно усовершенствованы формы и покрытия крыльев мельниц. Поскольку низкооборотные машины громоздки, во второй половине 20 в. стали строить высокооборотные ветродвигатели, т.е. такие, ветроколеса которых могут совершать большое число оборотов в минуту с высоким коэффициентом использования энергии ветра.
Современные типы ветродвигателей.
В настоящее время применяются три основных типа ветродвигателей барабанный, крыльчатый (винтового типа) и роторный (с S-образным профилем репеллера).
Барабанный и крыльчатый.
Хотя ветроколесо барабанного типа имеет наименьший коэффициент использования энергии ветра по сравнению с другими современными репеллерами, применяется оно наиболее широко. На многих фермах с его помощью качают воду, если по какой-либо причине нет сетевого электричества. Типичная форма такого колеса с лопастями из листового металла приведена на рис. 1. Ветроколеса барабанного и крыльчатого типа вращаются на горизонтальном валу, так что их необходимо поворачивать на ветер, чтобы получить наилучшие эксплуатационные характеристики. Для этого им придается руль направления лопасть, расположенная в вертикальной плоскости, чем и обеспечивается разворот ветроколеса на ветер. Диаметр колеса крупнейшего в мире ветродвигателя крыльчатого типа составляет 53 м, максимальная ширина его лопасти равна 4,9 м. Ветроколесо напрямую соединено с электрическим генератором мощностью 1000 кВт, которая развивается при скорости ветра не менее 48 км/ч. Его лопасти регулируются таким образом, что скорость вращения ветроколеса остается постоянной и равной 30 об/мин в диапазоне скоростей ветра от 24 до 112 км/ч. Благодаря тому, что в местности, где располагают такие ветродвигатели, ветры дуют довольно часто, ветроэнергетическая установка обычно вырабатывает ~50% максимальной мощности и питает общественную электросеть. Крыльчатые ветродвигатели широко применяются в отдаленных сельских районах для обеспечения электроэнергией ферм, в том числе для зарядки аккумуляторов систем радиосвязи. Их также используют в бортовых энергетических установках самолетов и управляемых ракет.
S-образный ротор.
Установленный на вертикальном валу S-образный ротор (рис. 2) хорош тем, что ветродвигатель с таким репеллером не надо выводить на ветер. Хотя крутящий момент на его валу меняется от минимального до одной трети от максимального значения за полоборота, он не зависит от направления ветра. Когда гладкий круговой цилиндр вращается, находясь под действием ветра, на тело цилиндра действует сила, перпендикулярная направлению ветра. Это явление называется эффектом Магнуса, в честь немецкого физика, который его изучал (1852). В 19201930 А.Флеттнер применил вращающиеся цилиндры (роторы Флеттнера) и S-образные роторы взамен лопастных ветроколес, а также как движители корабля, который совершил переход из Европы в Америку и обратно.
Коэффициент использования энергии ветра.
Мощность, получаемая от ветра, обычно мала менее 4 кВт развивает агрегат устаревшего типа голландской ветряной мельницы при скорости ветра 32 км/ч. Мощность потока ветра, которую можно использовать, образуется из кинетической энергии масс воздуха, проносящихся в единицу времени перпендикулярно площади заданного размера. В ветродвигателе эта площадь определяется наветренной поверхностью репеллера. При учете высоты над уровнем моря, давления воздуха на ней и его температуры располагаемая мощность N (в кВт) на единицу площади определяется уравнением
N = 0,0000446 V 3 (м/с).
Коэффициент использования энергии ветра определяется обычно как отношение мощности, развиваемой на валу ветродвигателя, к располагаемой мощности ветрового потока, воздействующего на наветренную поверхность ветроколеса. Максимальным этот коэффициент становится при определенном соотношении между скоростью внешнего края лопасти ветроколеса w и скорости ветра u ; значение этого соотношения w /u зависит от типа ветродвигателя. Коэффициент использования энергии ветра зависит от вида ветроколеса и составляет от 510% (голландская мельница с плоскими крыльями, w /u = 2,5) до 3540% (профилированный крыльчатый репеллер, 5 Ј w /u Ј 10).
устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат - колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.
Историческая справка.
Хотя приземные ветры дуют не всегда, меняют свое направление и сила их непостоянна, ветродвигатель представляет собой одну из древнейших машин для получения энергии из природных источников. Из-за сомнительной надежности древних письменных сообщений о ветродвигателях не вполне ясно, когда и где такие машины появились впервые. Но, судя по некоторым записям, они существовали уже до 7 в. н.э. Известно, что в Персии их применяли в 10 в., а в Западной Европе первые устройства этого типа появились в конце 12 в. В течение 16 в. окончательно сформировался шатровый тип голландской ветряной мельницы. Особых изменений в их конструкции не наблюдалось вплоть до начала 20 в., когда в результате исследований были значительно усовершенствованы формы и покрытия крыльев мельниц. Поскольку низкооборотные машины громоздки, во второй половине 20 в. стали строить высокооборотные ветродвигатели, т.е. такие, ветроколеса которых могут совершать большое число оборотов в минуту с высоким коэффициентом использования энергии ветра.
Современные типы ветродвигателей.
В настоящее время применяются три основных типа ветродвигателей - барабанный, крыльчатый (винтового типа) и роторный (с S-образным профилем репеллера).
Барабанный и крыльчатый.
Хотя ветроколесо барабанного типа имеет наименьший коэффициент использования энергии ветра по сравнению с другими современными репеллерами, применяется оно наиболее широко. На многих фермах с его помощью качают воду, если по какой-либо причине нет сетевого электричества. Типичная форма такого колеса с лопастями из листового металла приведена на рис. 1. Ветроколеса барабанного и крыльчатого типа вращаются на горизонтальном валу, так что их необходимо поворачивать на ветер, чтобы получить наилучшие эксплуатационные характеристики. Для этого им придается руль направления - лопасть, расположенная в вертикальной плоскости, чем и обеспечивается разворот ветроколеса на ветер. Диаметр колеса крупнейшего в мире ветродвигателя крыльчатого типа составляет 53 м, максимальная ширина его лопасти равна 4,9 м. Ветроколесо напрямую соединено с электрическим генератором мощностью 1000 кВт, которая развивается при скорости ветра не менее 48 км/ч. Его лопасти регулируются таким образом, что скорость вращения ветроколеса остается постоянной и равной 30 об/мин в диапазоне скоростей ветра от 24 до 112 км/ч. Благодаря тому, что в местности, где располагают такие ветродвигатели, ветры дуют довольно часто, ветроэнергетическая установка обычно вырабатывает ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ50% максимальной мощности и питает общественную электросеть. Крыльчатые ветродвигатели широко применяются в отдаленных сельских районах для обеспечения электроэнергией ферм, в том числе для зарядки аккумуляторов систем радиосвязи. Их также используют в бортовых энергетических установках самолетов и управляемых ракет.
S-образный ротор.
Установленный на вертикальном валу S-образный ротор (рис. 2) хорош тем, что ветродвигатель с таким репеллером не надо выводить на ветер. Хотя крутящий момент на его валу меняется от минимального до одной трети от максимального значения за полоборота, он не зависит от направления ветра. Когда гладкий круговой цилиндр вращается, находясь под действием ветра, на тело цилиндра действует сила, перпендикулярная направлению ветра. Это явление называется эффектом Магнуса, в честь немецкого физика, который его изучал (1852). В 1920-1930 А.Флеттнер применил вращающиеся цилиндры (роторы Флеттнера) и S-образные роторы взамен лопастных ветроколес, а также как движители корабля, который совершил переход из Европы в Америку и обратно.
Коэффициент использования энергии ветра.
Мощность, получаемая от ветра, обычно мала - менее 4 кВт развивает агрегат устаревшего типа голландской ветряной мельницы при скорости ветра 32 км/ч. Мощность потока ветра, которую можно использовать, образуется из кинетической энергии масс воздуха, проносящихся в единицу времени перпендикулярно площади заданного размера. В ветродвигателе эта площадь определяется наветренной поверхностью репеллера. При учете высоты над уровнем моря, давления воздуха на ней и его температуры располагаемая мощность N (в кВт) на единицу площади определяется уравнением N = 0,0000446 V3 (м/с). Коэффициент использования энергии ветра определяется обычно как отношение мощности, развиваемой на валу ветродвигателя, к располагаемой мощности ветрового потока, воздействующего на наветренную поверхность ветроколеса. Максимальным этот коэффициент становится при определенном соотношении между скоростью внешнего края лопасти ветроколеса w и скорости ветра u; значение этого соотношения w/u зависит от типа ветродвигателя. Коэффициент использования энергии ветра зависит от вида ветроколеса и составляет от 5-10% (голландская мельница с плоскими крыльями, w/u = 2,5) до 35-40% (профилированный крыльчатый репеллер, 5 Р€ w/u Р€ 10).
ЛИТЕРАТУРА
Ветроэнергетика. М., 1982 Ярас Л. и др. Энергия ветра. М., 1982
