Принцип дії і класифікації ВЕУ.

 

В вітроенергетичних установках енергія вітру перетворюється в механічну енергію їх робочих органів. Первинним і основним робочим органом ВЕУ, який безпосередньо приймає на себе енергію вітру і, як правило, перетворює її в кінетичну енергію свого обертання, є вітроколесо.

Обертання вітроколеса під дією вітру обумовлюється тим, що в принципі на любе тіло, яке омивається потоком газу зі швидкістю u0, діє сила F, яку можна розкласти на дві складові: 1 – вздовж швидкості потоку, що набігає, і називається силою лобового опору Fс, і 2 – в напряму, перпендикулярному швидкості потоку, що набігає, і називається підйомною силою Fп (мал. 1.1.).

 

Малюнок 1.1. Сили, які діють на тіло, що омивається потоком газу.

 

Величини цих сил залежать від форми тіла, орієнтації його в потоці газу і від швидкості газу. Дією цих сил робочий орган вітроустановки (вітроколесо) приводиться в обертання.

Вітроустановки класифікують по двом основним ознаками – геометрії вітроколеса і його положенням відносно напряму вітру.

Якщо вісь обертання вітроколеса паралельна повітряному потоку, то установка називається горизонтально-осьовою, якщо перпендикулярна – вертикально-осьовою.

Вітроколесо з горизонтальною віссю, яке використовує підйомну силу (двох- або трьох-лопатеве вітроколесо), показано на мал. 1.2, а, б, в, г.

Вітроустановки, які застосовують силу лобового опору, складаються з укріплених вертикально лопатей різної конфігурації (малюнок 1.2. е, ж, з, и).

На мал. 1.2. д представлено вітроколесо, яке використовує ефект Магнуса (ефект виникнення підйомної сили, перпендикулярної напряму вітру, при обертанні циліндру або конусу).

Установки, які використовують силу лобового опору, як правило обертаються з лінійною швидкістю, меншою за швидкість вітру, а установки, які використовують підйомну силу, мають лінійну швидкість кінців лопатей суттєво більшу швидкості вітру.

Кожне вітроколесо характеризується:

· омиваною площиною S (для горизонтально-осьових вітроколес, вітроколесо репелерного типу), тобто площиною, яка покривається його лопатями при обертанні і рівній S = , де D – діаметр вітроколеса і в експериментальній роботі D = 0,17м, або площею лобового опору (для вертикально-осьових вітроколес, вітроколесо типу савоніус) S = h b, де h і b – відповідно висота ротору і його середній діаметр; S =0,012 м2;

· геометричним наповненням, рівним відношенню площини проекції лопатів на площину, перпендикулярну потоку, до омивної площини (так, наприклад, при однакових лопатях чотирьохлопатеве колесо має вдвічі більше геометричне заповнення, чим двохлопатеве);

· коефіцієнтом потужності СN, який характеризує ефективне використання вітроколесом енергії вітрового потоку і залежить від конструкції вітроколеса;

 

Малюнок 1.2. Типи вітряних коліс.

· коефіцієнтом швидкоходності Z, який представляє собою відношення швидкості кінця лопаті до швидкості вітру.

При скорості вітру u0 і густині повітря вітроколесо з омиваною площиною S розвиває потужність N=CN S . З цієї формули видно, що ця потужність пропорційна кубу швидкості вітру.

За теорією М. Жуковського, максимальне значення коефіцієнту потужності 0,6-0,69. На практиці кращі швидкоходні колеса мають CN ~ 0,45-0,48; у тихоходних коліс CN ~ 0,35-0,38.

ВЕУ з більшим геометричним наповненням вітроколеса розвивають значну потужність при слабкому вітрі, і максимум потужності досягається за невеликих обертів колеса. ВЕУ з малим заповненням досягають максимальної потужності за більших обертів і більш тривалий час виходять на цей режим. Тому перші застосовуються, наприклад, в водяних насосах і навіть за слабкого вітру зберігають працездатність, а другі – в якості електогенераторів, де вимагається висока частота обертання.

 

Експериментальна установка.

 

Роботу виконують на аеродинамічній трубі 1 (мал. 1.3). В трубі повітряний поток створюється осьовим вентилятором (на малюнку не вказаний).

 

Малюнок 1.3. Схема експериментальної установки.

 

Величина швидкості потоку в трубі регулюється зміною струму живлення вентилятору. Швидкість повітряного потоку в робочій області труби визначається за допомогою трубки Піто-Прандтля 2 і мікроманометра 3. В робочу зону труби 1 встановлено вітроколесо 4 з електричним генератором 5. До генератора підключено навантаження 6. В коло навантаження підключено також вольтметр 7 і амперметр 8.

Трубка Піто-Прандтля

 

 

Мікроманометр ММН-2400 - (5)-1,0 многодиапазонный с наклонной трубкой – багато діапазонний з похилою трубкою

Порядок виконання роботи.

 

1. Ознайомитися з різними типами вітряних коліс. За вказівкою викладача встановити необхідний тип вітроколеса в робочу зону аеродинамічної труби. Встановити джерело світла на пряме випромінювання на поверхню сонячного модулю (нульова відмітка на лімбу джерела).

2. За відсутності потоку повітря в трубі відмітити начальний показник мікроманометру l0.

 

 

Стенд аеродинамічної труби

 

Аеродинамічна труба — установка, в якій вивчається дія штучно створеного рівномірного повітряного потоку на моделі літальних апаратів та ін. тіл (див. Аеродинаміка). Одну з перших у світі аеродинамічних труб побудував у 1897 К. Е. Ціолковський.

3. Включити блок живлення аеродинамічної труби. Встановити необхідне значення швидкості повітряного потоку в робочій зоні шляхом зміни струму живлення вентилятора аеродинамічної труби.

4. Вимірити значення швидкості u0 потоку за допомогою трубки Піто-Прандтля. Для цього необхідно зняти показники мікроманометра l. Дані записати в табл. 1.1.

5. Вимірити напругу U, яка утворюється електричним генератором і струм I в навантаженні 6.

6. Змінити величину швидкості повітряного потоку в аеродинамічній трубі. Виконати всі вищевказані виміри.

7. Замінити вітроколесо. Виконати вимірювання, описані в п.п. 3-6.

Таблиця 1.1

Тип вітроколеса Номер експерименту Показники мікроманометру u0, м/с Параметри генератора вітроустановки СN
l - l0, мм U, B I, A N, Вт
Репеллер            
           
           
           
Савоніус            
           
           
           
           

 

Таблиця 1.2.

Вихідні дані

Параметри № варіанту Репеллер Савоніус
Показники манометру , мм
14,5 14,5
Параметри генератора вітроколеса U, B 4,1 9,5 12,2 19,5 3,4 7,1 8,1 10,8 12,8
4,2 12,6 3,6 7,6 8,5 13,1
4,5 9,8 12,9 3,8 7,1 11,5 13,4
4,25 12,7 23,5 3,65 8,1 8,7 10,9 13,9
4,52 4,1 8,2 9,5 12,1 14,5
I, mA 9,5 41,5 7,5 15,5 17,5 27,5
27,5 16,5 22,7 28,5
20,5 30,5 47,5 19,5 29,5
27,5 8,5 23,5 30,5
33,5 60,5 9,5 22,5 26,5