Что такое ветряные двигатели и их применение - Авто мастер
Avtonova37.ru

Авто мастер
1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое ветряные двигатели и их применение

Ветрогенератор

Ветрогенератор — это устройство для преобразования энергии ветра в электро-энергию, или в механическую для привода в движение механических устройств (например насос на воду). Прародителями современных ветрогенераторов были ветряные мельницы, и с развитием технологий и прихода эры электричества ветряные мельницы уже не только растирали зёрна в муку, или качали воду, но и вращали генераторы вырабатывающие электро-энергию.

Ветрогенераторы бывают промышленные, такие ветряки устанавливает государство или большие энергетические корпорации для обеспечения электроэнергией промышленных объектов. Промышленные ветровые турбины самые большие и мощные на сегодняшний день, мощность отдельных ветрогенераторов исчисляется мегаваттами, но такие ветряки не ставят по одному, а строят огромные ветропарки в местах где ветер наиболее подходящий для стабильной выработки электро-энергии, например на побережьях, или на открытых возвышенностях. Энергия от ветрогенераторов поступает напрямую в электросети, а стабильность и частоту вращения генераторов обеспечивают различные механизмы, например системы регулирования углов установки лопастей относительно набегающего потока ветра, так чтобы обороты ветроколеса, а значит и генератора были стабильными.

Система торможения вращения лопастей

Чтобы установка не вышла из строя при сильном напоре воздуха, она снабжена специальной системой торможения. Если раньше движущиеся магниты индуцировали ток в обмотках, то теперь данная сила используется для остановки вращающихся магнитов. Для этого создается короткое замыкание, при котором замедляется движение ротора. Возникающее противодействие замедляет вращение магнитов.

Конструкция ветрогенератора и узлов

При ветре больше 50 км/час тормоза автоматически замедляют вращение ротора. Если скорость движения воздуха доходит до 80 км/час, тормозная система полностью останавливает лопасти. Все части турбины сконструированы так, чтобы максимально использовалась воздушная энергия. Когда ветер дует, лопасти вращаются, и генератор преобразует их движение в электричество. Совершая двойное преобразование энергии, турбина производит электричество из обычного перемещения воздушных масс.

Внешне ветрогенератор напоминает флюгер — направлен в ту сторону, откуда дует ветер

Данное устройство весьма полезно не только в каких-то экстремальных условиях, но и в обычной повседневной жизни. Довольно часто системы ветрогенераторов применяются на дачах или в тех населенных пунктах, где регулярно бывают перебои с подачей электроэнергии. Самостоятельно сделанный автономный источник электричества имеет такие преимущества:

  • установка экологически чистая;
  • отсутствует потребность её заправки топливом;
  • не накапливаются какие-либо отходы;
  • устройство работает очень тихо;
  • имеет большой срок эксплуатации.

Все ветрогенераторы работают по одинаковой схеме. Сначала полученное от давления ветра переменное напряжение преобразуется в постоянный ток. Благодаря этому заряжается аккумулятор. Затем инвертором снова производится переменный ток. Это нужно для того, чтобы светились лампочки; работал холодильник, телевизор и т. д. Благодаря аккумуляторной батарее, можно пользоваться электроприборами в безветренную погоду. Кроме того, во время сильных порывов ветра напряжение в сети остаётся стабильным.

Типы ветротурбин, их мощность, эффективность

Какие бывают ветротурбины?

Ветротурбины отличаются по ориентации оси вращения по отношению к направлению ветра и по типу ветротурбины.

По ориентации оси вращения ветротурбины подразделяются на ветроустановки с вертикальной осью вращения и ветроустановки с горизонтальной осью вращения. Ветроустановки с горизонтальной осью составляют около 95% всех ветроустановок, подключенных к сетям энергосистем.

Ветротурбины также принципиально отличаются по тому, какую силу они используют для преобразования в механическую – силу давления ветра или подъемную силу. От этого свойства существенно зависит КПД ветротурбины. Теоретические КПД равны: для первого типа 0,22, для второго – 0,59 (согласно теории Жуковского Бетца).

Ветротурбина чашечного типа (использует силу давления ветра)

Ветроустановки, использующие силу давления ветра, имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравнению с пропеллерными или другими, использующими подъемную силу крыла. Это примерно как гребные колеса у дореволюционных пароходов по сравнению с обычным винтом любого современного корабля или катера. Такие ветротурбины имеют большую материалоемкость и, соответственно, высокую удельную стоимость.

Ортогональные ветроустановки с вертикальной осью вращения, которые используют подъемную силу крыла, имеют КПД немногим менее пропеллерных, поэтому их эффективность также высока. Но у таких вертикально-осевых турбин есть другой недостаток – они не могут самостоятельно начать вращение, и для их запуска их надо раскрутить – или от сети, или с помощью другой ветротурбины, имеющей стартовый момент вращения (часто используется турбина Савониуса для этих целей).

Вертикально-осевые ветротурбины (ВОВТ), как правило, менее эффективны, чем горизонтально-осевые ветротурбины (ГОВТ), по следующим причинам:

  • Лопасть испытывает сопротивление при вращении, т.к. на части траектории она должна двигаться противоположно направлению ветра
  • ВОВТ часто установлены на более низкой высоте (земля или крыша здания), где скорость ветра меньше.
  • ВОВТ имеют проблемы, связанные с вибрацией, например, шум и более быстрый износ и разрыв опорной конструкции (так как воздушный поток имеет большую турбулентность на низкой высоте).
  • Нагрузка на электрогенератор от массы ветротурбины, если она установлена на одном валу с электрогенератором.
Читать еще:  Что лить в двигатель рено сандеро степвей

Зависимость КПД ветротурбины от ее типа и быстроходности

Важным параметром ветроколеса является быстроходность. Быстроходность – это отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. У ветротурбин, использующих силу давления ветра, быстроходность всегда меньше 1. К таким ветротурбинам относятся карусельные, чашечные и другие аналогичные типы ветротурбин. Ротор Савониуса имеет быстроходность немного больше единицы потому, что кроме силы давления ветра в нем используется еще и реактивная сила. У ветротурбин, использующих подъемную силу крыла, скорость лопасти больше скорости ветра.

Как это не парадоксально, но чем меньше лопастей в ветроколесе, тем выше его КПД. Это проверено как теоретическими исследованиями, так и продувками в аэродинамической трубе, хотя разница между 1, 2, 3 лопастями незначительна. Однако, с уменьшением количества лопастей также уменьшается момент страгивания и ухудшается работа при низких скоростях ветра. У однолопастных ветротурбин также есть серьезная проблема с балансировкой и надежностью ветроколеса.

Ветрогенераторы с 2-3 лопастями относятся к быстроходным с более высоким КПД и частотой вращения, но при этом у них низкий стартовый момент вращения ротора. Поэтому быстроходные ветрогенераторы выгодно объединять с электрическим генератором, так как электрический генератор имеет высокую частоту вращения (для улучшения массогабаритных характеристик) и низкий пусковой момент. Тихоходные многолопастные ветротурбины обычно работают в связке с водяными насосами, у которых большой момент запуска и меньшая частота вращения. Быстроходные 3-х лопастные ветрогенераторы получили большее распространение, чем 1-2-х лопастные, несмотря на их высокую стоимость. 3-х лопастным ротором генерируется меньше вибрация и выглядит он более эстетично. Поэтому во всем мире оптимальным количеством лопастей горизонтально-осевой ветротурбины признано 3.

От чего зависит мощность ветротурбины?

Мощность ветротурбины зависит от скорости ветра, площади ометаемой поверхности и эффективности ветротурбины. Это основные факторы, влияющие на вырабатываемую ветротурбиной мощность (и, соответственно, энергию). На выработку также влияет турбулентность ветропотока, плотность воздуха, равномерность распределения скорости ветра по ометаемой площади.

Скорость ветра – важнейший элемент в проектировании и использования ветроустановки. Вырабатываемая мощность пропорциональна кубу скорости ветра и квадрату диаметра ротора. Это означает, что при удвоении скорости ветра возможная вырабатываемая мощность увеличивается в 8 раз. Так, ветроустановка, работающая при средней скорости 6 м/с, генерирует мощность на 44% большую, чем при скорости 5 м/с. Если скорость ветра определяется местом, где сооружается ветроустановка, то диаметр ее ротора – это элемент конструкции, величина которого зависит от многих расчетных параметров. Чаще всего решается обратная задача: задается проектируемая мощность ВЭУ и далее определяется требуемый диаметр при определенной расчетной скорости.

где ρ= 1,22 – плотность воздуха (стандартная), кг/м 3
V – скорость ветра, , м/с
ηг·ηм– коэффициенты полезного действия генератора и механической передачи между ветроколесом и генератором,
Cp – коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ), зависящий от профиля лопастей и других режимных параметров, предельное значение которого равно 0,593, а достигнутое в эксплуатации- 0,4-0,45,
А – площадь ветротурбины, в случае пропеллерной турбины вычисляется по формуле:

где D, м- диаметр ротора,π=3,14.

Скорость ветра увеличивается с высотой над уровнем земли, поэтому чем выше мачта ветротурбины, тем более производительной будет ветроустановка.

Ветроустановка состоит из следующих основных подсистем и узлов:

  1. ротор или лопасти, который преобразует энергию ветра в энергию вращения вала,
  2. кабину или гондолу, в которой обычно расположен редуктор ( некоторые турбины работают без редуктора),
  3. генератор и другие электромеханические системы,
  4. башню или мачту, которая поддерживает ротор и кабину,
  5. электрическое и электронное оборудование, такие как панели управления, электрические кабели, оборудование заземления, оборудование для подключения к сети, система молниезащиты, система накопления электроэнергии и ее стабилизации, и др.

Как выбрать ветрогенератор?

Распространенная ошибка – выбирать мощность ветроустановки по пиковой мощности нагрузки. Ветрогенератор, также как и солнечные батареи, является источником энергии, а не мощности. Поэтому расчет ветроэнергетической системы ведется в несколько шагов, и желательно, если это сделает специалист.

Для выбора ветрогенератора сначала Вам необходимо определить своё потребление в кВт*часах в месяц, пиковую (суммарную) мощность всех приборов и постараться узнать среднегодовую и среднемесячные скорости ветра в Вашей местности. Последний параметр не всегда возможно определить с достаточной точностью. Даже если вы получите данные по многолетним скоростям ветра от ближайшей метеостанции, не факт, что в месте установки вашей ветротурбины будет именно такая скорость ветра. Поэтому для больших ветростанций необходимо обязательно проводить мониторинг скорости ветра хотя бы в течение одного года, а затем сделать корреляцию полученных данных с данными от ближайшей метеостанции. Для малых ветроустановок такой путь слишком дорог, и очень часто малые ВЭУ устанавливаются на страх и риск хозяина. В таких случаях обычно, если ветра недостаточно, признается, что решение об установке ветротурбины было ошибочным. Если же ветер хороший, то следующим шагом обычно является увеличение мощности малой ветростанции.

Читать еще:  Где находиться датчик температуры двигателя ваз 21099 инжектор

Для получения электричества в необходимом объёме нужно понимать, что количество вырабатываемой ветряком энергии напрямую зависит от ометаемой ветротурбиной площади или максимального сечения ветротурбины. Для минимального обеспечения пары лампочек, ТВ, холодильника, электрочайника — диаметр ветряка должен быть не менее 2,5 метров при средних по силе ветрах.

Упрощенная формула расчета реально отдаваемой ветром мощности в зависимости от скорости ветра и диаметра винта:

Р = D 2 V 3 /7000, кВт,

Некоторые производители представляют результаты продувок своих ветроэлектрических установок по мощности в аэродинамической трубе. Это хорошо, и говорит о серьезном подходе к делу. Однако, необходимо учитывать, что мощность в аэродинамической трубе и в природе на ветру отличаются примерно на 10-30% вследствие идеализации воздушного потока в трубе. Реальный поток ветра имеет турбулентности, которые существенно ухудшают параметры ветроколеса.

Мощность, вырабатываемая ветрогенератором, пропорциональна кубу скорости ветра. Это означает, что мощность ветрогенератора на слабых ветрах (даже если он вращается) очень мала. Но, с усилением ветра, идет резкое нарастание мощности. А поскольку ветер на практике дует с постоянной скоростью и направлением только в аэродинамической трубе, понятно, что мощность, вырабатываемая ветрогенератором, является постоянно меняющейся по времени величиной. Поэтому любая энергетическая система с использованием ветрогенератора в качестве источника энергии должна иметь стабилизирующее звено.

В малых автономных системах роль такого звена обычно играет аккумуляторная батарея. Если мощность ветрогенератора больше мощности нагрузки, батарея заряжается. Если мощность нагрузки больше – батарея разряжается. Из этого следует следующая важная особенность ветрогенератора, как источника мощности: если большинство других источников выбираются по мощности пиковой нагрузки, ветрогенераторы следует выбирать, исходя из величины потребления электроэнергии в месяц (или в год, как кому нравится).

Проиллюстрируем это на примере. На берегу моря, где средняя скорость ветра приближается к 6 м/с, стоит домик, куда приезжает семья из трех человек на выходные. Электрооборудование включается тоже только на выходные. В день потребление достигает 15 кВт*ч, при этом пиковая нагрузка – до 3 кВт. Следовательно, в месяц потребление энергии равно 120 кВт*ч. При среднегодовой скорости ветра 6 м/с выработку 120 кВт*ч в месяц может обеспечить небольшой 700-ваттный ветрогенератор. Кроме того, для аккумулирования энергии в течение 5 дней потребуется батарея большой емкости, и инвертор (который преобразовывает постоянное напряжение батареи в стандартное переменное) мощностью 3 кВт, чтобы обеспечить пиковые нагрузки.

Как можно видеть, в каждом из вышеописанных случаев мощность ветрогенератора отличается в разы от пиковой мощности нагрузки. Мощность пиковой нагрузки определяет мощность преобразователя. Сам ветрогенератор определяет только величину выработки в определенный временной промежуток при определенной среднемесячной скорости ветра. Кроме средней скорости ветра, существуют более подробные вводные данные для оценки ветровых ресурсов, называемые параметрами распределения Вейбулла, которые отражают распределение длительности ветра определенной силы для данного места, они используются при проектировании ветропарков мощностью в десятки МВт.

В каких случаях выгодно использовать ветрогенератор?

Ветровые электростанции установки наиболее выгодно использовать в местах, где невозможно провести общую электросеть, или соединение является очень затратным, а также – в местах с частыми отключениями электричества. Ветровые электростанции смысл устанавливать, если в месте становления среднегодовая скорость ветра превышает 3 м/с.

В общем случае, при среднегодовой скорости ветра более 4 м/с на высоте 10 м (на этой высоте на метеостанциях устанавливаются анемометры – приборы, измеряющие скорость ветра) возможно эффективное применение ветроустановок, а ветер с меньшей скоростью годится для водоподъемных устройств.

Хорошими ветровыми условиями в России обладают следующие субъекты РФ: Архангельская, Астраханская, Волгоградская, Калининградская, Камчатская, Ленинградская, Магаданская, Мурманская, Новосибирская, Пермская, Ростовская, Сахалинская, Тюменская области, Краснодарский, Приморский, Хабаровский края, Дагестан, Калмыкия. Карелия, Коми. Ненецкий автономный округ, Хакасия, Чукотка, Якутия, Ямало-Ненецкий автономный округ.

По опыту эксплуатации ветропарков, установленных в Российской Федерации, их КИУМ в среднем равен 12%. Как видим, российские ветропарки имеют невысокий КИУМ. Это связано как с невысокой среднегодовой скоростью ветра в местах их установки, так и с большим временем простоя.

Читать еще:  Что может стучать в двигателе ваз 21011

Какие нужны документы и разрешения для установки ветрогенератора?

Импортируемые ветроустановки не подлежат сертификации. Вы можете без проблем установить на своей территории для себя ветрогенератор мощностью до 75 кВт и высотой до 30 метров для личного некоммерческого использования. Для этого не нужны никакие документы, справки или разрешения.

Как выбрать ветровой генератор

Для того чтобы выбрать ветрогенератор необходимо:

  1. Рассчитать установленную мощность электрических приборов, которые планируетсяподключить к данному источнику энергии.
  2. Исходя из полученных значений мощности и среднегодовой скорости ветра, в регионе установки агрегата, определяется мощность генератора. Мощность следует взять с учетом коэффициента запаса, в расчете на рост нагрузок и дабы не перегружать устройство, во время пиковых нагрузок.
  3. Следует учитывать особенности климата в месте монтажа устройства, т. к. осадки негативно влияют на производительность генератора. Учесть климатические особенности места проживания.
  4. Определить КПД установки – это один из важнейших показателей.
  5. Узнать показатели работы генератора в отношении шума, производимого в процессе работы.
  6. Провести сравнительный анализ различных типов генераторов по всем характеристикам и параметрам.
  7. Ознакомиться с отзывами пользователей подобных установок.
  8. Сделать анализ отечественных и зарубежных производителей, изучить отзывы об этих предприятиях.

Цена оборудования напрямую зависит от его типа, мощности и страны производства. Несколько примеров самых популярных моделей с мощьностью:

  • Exmork (производство Китай) – 280 000 руб.
  • ВЭУ-5000-7-3 (российское производство) – 282 000 руб.
  • WH16.5-50000W (Германия) – 1 500 000 руб.
  • EDS-GROUP FALCON EURO (с вертикальной осью) – 350 000 руб.

Как видите разброс цен очень большой. В среднем установка на 1 кВт обойдется от 25 000 до 300 000 рублей. Более дорогие модели имеют ряд значительных преимуществ, от более высокого КПД до различных дополнительных функций.

Данная таблица поможет выбрать наиболее эффективный и дешевый вид топлива. Здесь собраны все наиболее часто применяемые материалы для отопления частных .

Владельцев дачных, садовых, приусадебных участков всегда заботит вопрос, как сохранить результаты своего труда до будущего урожая. Традиционно хранилище для домашних .

Воздушные тепловые насосы относятся к категории современного оборудования, использующего в работе альтернативные источники энергии. Источником тепла для них является окружающая .

Главная особенность дачной или садовой мебели это тот факт что она будет эксплуатироваться под открытым небом большую часть времени. Именно .

Защита от разрушения ветроколеса

При большой скорости ветра может произойти превышение скорости вращения ветроколеса сверх допустимой нормы, что приводит к его разрушению. Чтобы этого не происходило, генератор всегда должен находиться под нагрузкой. Если аккумулятор полностью заряжен и нет нагрузки, то к генератору подключается балластный резистор.

При штормовом ветре у генераторов с диаметром ветроколеса до 2 м просто останавливают лопасти во избежание их поломки. При большем размере лопастей ветроколесо поворачивается в горизонтальную плоскость. На крупных ветроэлектростанциях лопасти складываются.

История и этапы развития ветряных двигателей

Мельница

Такой тип показан ниже:

История ветряков получила свое начало в Персии. Пустыни данного государства, постоянно обдуваемые сухими ветрами, подтолкнули ученых того времени придумать устройство, способное преобразовывать энергию ветра в полезную механическую. К сожалению, к нашему времени сохранилась лишь часть описания первых ветряных устройств. Но судя по записям которые сохранились, образ классического современного ветрогенератора с вращающимися лопастями был заложен примерно в 7 веке до нашей эры.

Ротора Савониуса

Показан на рисунке ниже:

Мы видим, что ось вращения данного ветродвигателя расположена вертикально. Лопасти его из себя представляют полуцилиндры. К достоинствам ротора Савониуса можно отнести простоту в изготовлении, присущим ему низким уровнем шума и, что самое главное, широкий диапазон рабочих ветров. Низкие обороты – это его недостаток.

Ротор Дарье

Ротор Дарье был изобретен в 1939 году и показан ниже:

В данном устройстве, пожалуй, больше недостатков, чем достоинств – шумы и вибрации. Главным отличием от ротора с осью вращения горизонтальной, где все лопасти повернуты под оптимальным углом атаки и не перекрывают друг друга, лопасть же вертикального проходит половину пути с подветренной стороны в возмущенном потоке и ослабленном «тыловом».

Поскольку углы атаки постоянно меняются, что периодически приводит к срыву потока с лопастей. Также большим минусом будет и то, что данная система обладает довольно большим стартовым моментом, который создается ветром с большим трудом.

Жиромельница

Данный ветродвигатель является подтипом турбины Дариуса с прямыми лопастями. Плюсом таких систем будет малая сила ветра, необходимая для старта работы ветрогенератора.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector