Работа ветрового колеса крыльчатого ветродвигателя
Крыльчатые ветроколеса работают за счёт косого удара при движении лопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра в противоположность к прямому удару, рассмотренному в предыдущем случае. Устройство такого колеса показано на рисунке 2.
На горизонтальном валу закреплены крылья, число которых у современных ветродвигателей бывает от двух и больше. Крыло ветроколеса состоит из маха а и лопасти б, закрепляемой на махе так, что она образует с плоскостью вращения некоторый угол j . Этот угол называют углом заклинения лопасти (рисунок 2).
При этом на её элементы набегает воздушный поток с относитель-ной скоростью W под углом α , который называют углом атаки, и дей-ствует с силой R. Углы j и α в значительной мере определяют эффективность крыльев.
Рисунок.2 - Конструктивная схема крыльчатого ветроколеса
Силу R раскладывают на силы Pxи Py(рисунок 3). Силы Pxпроизводят давление в направлении ветра, которое называется лобовым давлением. Силы Pyдействуют в плоскости y – y вращения ветроколеса и создают крутящий момент.
Рисунок 3 - а – схема действия сил воздушного потока на элемент лопасти; б – графическое изображение относительного потока, набегающего на элементы лопасти, расположенные на разных радиусах ветроколеса
Максимальные силы, приводящие колесо во вращение, получаются при некотором значении угла атаки α , т. е. угла наклона относительного потока к поверхности лопасти. Ввиду того что окружная скорость по длине крыла не одинакова, а возрастает по мере удаления его элементов от оси вращения ветроколеса, относительная скорость W набегания потока на лопасть также возрастает. Вместе с этим убывает угол атаки α , и при некоторой окружной скорости ωR, где ω угловая скорость, этот угол станет отрицательным (рисунок 3,б). Следовательно, не все элементы крыла будут иметь максимальную подъёмную силу.
Если мы будем уменьшать угол jкаждого элемента лопасти по мере удаления его от оси вращения так, чтобы наивыгоднейший угол атаки α примерно сохранялся постоянным, то мы получим условие, при котором приблизительно все элементы лопасти будут работать со своей максимальной подъёмной силой. Лопасть с переменным углом заклинения получает форму винтовой поверхности.
Правильные углы заклинения лопасти при хорошем аэродинамическом качестве профиля, а также ширине, соответствующей заданной быстроходности, обеспечивают высокий коэффициент использования энергии ветра.У хорошо выполненных моделей он достигает 46 %.
Идеальным ветряком называют ветроколесо, у которого:
1. Ось вращения параллельна скорости ветра.
2. Бесконечно большое число лопастей очень малой ширины.
3. Профильное сопротивление крыльев равно нулю, и циркуляция вдоль лопасти постоянна.
4. Потерянная скорость воздушного потока на ветроколесе постоянна по всей сметаемой поверхности ветряка.
5. Угловая скорость стремится к бесконечности
Представим равномерный поток ветра, набегающий на идеальное ветроколесо со скоростью V в сечении AA′' (рисунок 4). В сечении BB′ на ветроколесе скорость будет V1 =V – v1 на некотором расстоянии позади ветряка в сечении CC′ скорость будет
V2=V –v2., где v1, v2 – потери скорости
Рисунок 4 - Характеристика воздушного потока, протекающего через ветроколесо
Выражение
(11)
называют коэффициентом нагрузки на ометаемую площадь или коэффициентом лобового давления. Здесь е=V1/V - коэффициент торможения.
Коэффицент использования энергии ветра
(12)
Он принимает максимальное значение 
, когда е=1/3. При этом В=0,888
Таким образом, из классической теории идеального ветряка вытекают следующие основные положения:
1. Максимальный коэффициент использования энергии ветра иде-ального ветроколеса равен x= 0,593.
2. Потеря скорости ветра в плоскости ветроколеса V1=1/3V
3. Полная потеря скорости ветра за ветроколесом в два раза больше потери скорости в плоскости ветроколеса V2=2/3V
Таким образом, скорость ветра за ветроколесом в три раза меньше скорости ветра перед ветроколесом.
4. Коэффициент нагрузки на ометаемую поверхность ветроколеса равен B =0,888.
Мощность пропеллерного ветроколеса определяется выражением
Вт. (13)
Здесь: 0,593 – аэродинамический коэффициент использования энергии ветра,
Z – коэффициент порывистости и частоты изменения направления; p – плотность ветра; F – площадь активной поверхности ветроколеса; V – скорость ветра; CosV – соответствие положения ветроколеса и установки лопастей направлению и скорости ветра. Комплекс параметров Z, p, V характеризует свойства ветра, F – размеры и аэродинамическое совершенство ветроколеса, CosV – характеризует качество управления ветроколесом по установке на ветер.
Схема вертикально-осевой ветровой роторной турбины (ВРТБ)
Мы остановимся на разрабатываемой в АУЭС, ООО «НПП «Энэксис», Москва и ТОО «Экоэнергомаш», Алматы «Ветровой роторной турбине Болотова» - ВРТБ.
ВРТБ состоит из внешней неподвижной части – статора и расположенного внутри него вращающегося ротора, лопатки которого, образуют активную и реактивную ступени турбины (рисунок 5)..
| 
|
| а) | б) |
Рисунок 5 – Общий вид а) и сечение турбины со статором, имеющим 12 пластин и ротором, имеющим 9 лопаток (б)
Направляющий аппарат имеет пластины, равномерно расположенные по его периметру, ротор имеют лопатки, также равномерно расположенные по его периметру. Статор и ротор определенной высоты, связанные подшипниками, совместно образуют модуль турбины. Диаметр модуля D по направляющему аппарату и высота H формируют площадь ветровоспринимающей поверхности F.
(14)
Диаметр модуля определяется расчетной скоростью ветра в месте размещения ВРТБ, высота - необходимой мощностью турбины в конкретных условиях потребителя электроэнергии, а также по конструктивным соображениям и условиям устойчивости.
Работа турбины не зависит от направления ветра. По отношению к набегающему с любой стороны воздушному потоку турбина имеет две стороны - подветренную – активная ступень турбины и надветренную – реактивная ступень турбины. В статоре турбины на активной стороне воздух сжимается направляющим аппаратом и направляется на лопатки ротора.
Действующая на лопатку ротора сила возникает под влиянием давления на вогнутую поверхности, создающего в режиме паруса вращающий момент турбины и обеспечивающий высокий момент трогания ротора.
На выпуклой поверхности лопатки возникает подъемная сила, перпендикулярная вектору скорости обтекающего лопатку воздушного потока, двигающая лопатку по окружности.
Отсюда следует, что тяга лопатки, вызванная действием ветра, может создаваться как за счет разряжения на ее выпуклой поверхности, так и в результате давления на ее вогнутую поверхность. Указанными обстоятельствами определяется форма лопаток ротора турбины «ВРТБ».
В реактивной части ступени турбины тяга на лопатках создается в результате преобразования избыточного давления внутри турбины, в полости ротора за активной ступенью, по отношению к атмосферному. Диффузорная конфигурация межлопаточных пространств между лопатками ротора и между пластинами направляющего аппарата способствуют удалению из турбины отработавшего воздуха и повышению коэффициента использования энергии ветра. Диаметр турбины увеличивается при необходимости получения заданной мощности и корректируется по расчетной скорости ветра в месте предполагаемой ее установки.
Из конструктивных соображений высота турбины делится на отдельные «модули» высотой 2-3метра. Установка модулей друг на друга образует высоту турбины в соответствии с конкретными ветровыми условиями для получения необходимой мощности.
Высота многомодульных ВЭА равна общей высоте установленных друг на друга модулей, плюс высота основания, где размещается электрогенератор и шкафы с аппаратурой управления его режимами.
Ветростанции с вертикально – осевыми турбинами обладают большим числом преимуществ по сравнению с пропеллерными:
- отсутствие зависимости развиваемой мощности от направления ветра;
- способность работать на порывистых и ураганных ветрах;
- генератор соединен непосредственно с ротором и не имеет сложных редукторов;
- возможность использовать несколько виндроторов на одном генераторе;
- наличие направляющего аппарата, увеличивающего удельную мощность ротора в 2- 2, 5 раза по сравнению с открытым ротором;
- отсутствие внешних вращающихся частей.
Вертикально осевая турбина, построенная по принципу рабочих элементов «парус-крыло», усиливаемого наличием направляющего аппарата, имеет малую собственную постоянную времени и срабатывает порывы, пульсации и шквалы.
Компоненты ветроэлектростанции: генератор, ветроколесо, контроллер, аккумуляторная батерея, инвертор, автоматическое включение резервного питания, анемоскоп и датчики направления ветра (рисунок).
Существует два варианта работы ВЭС: автономная работа и параллельная работа с энергосистемой. Автономная работа реализуется по трем схемам.
Первая схема включает генератора постоянного тока и аккумуляторную батарею и обеспечивает энергоснабжение только потребителей постоянного тока.
Вторая схема включает генератора постоянного тока или переменного тока и используется для получения тепла и его аккумулирования.
Третья схема включает генератора переменного тока, выпрямитель, буферный накопитель, инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный.
Параллельная работа в составе энергосистемы реализуется также по трем схемам.
Первая схема включает синхронный генератор, который должен вращать с постоянной скоростью. Недостатком является возможный переход генератора в двигательный режим, связанный с потреблением энергии из энергосистемы.
Во второй схеме имеется только один генератор, включенный в энергосистему асинхронно. Скорость вращения ротора может быть непостоянной, но не должна сильно отличаться от синхронной скорости.
Третья схема состоит из генераторной системы с автоматической системой регулирования, вращающаяся непостоянной скоростью, но вырабатывающий ток постоянной частоты.
Рисунок 6 - Автономная система электроснабжения на базе ветрогенератора