Альтернативные источники энергии и энергосбережение - [5]
Крыльчатые ветродвигатели работают за счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях ветроколеса, при набегании на них воздушного потока. Так же, как и на крыльях самолета, на крыльях ветроколеса возникают подъемная сила и сила сопротивления поверхности. Подъемная сила и создает вращающий момент на ветроколесе.
Для того чтобы лучше использовать энергию ветра, т. е. получить большую мощность, крыльям придают обтекаемые, аэродинамические профили, а углы заклинения делают переменными вдоль лопасти (на конце — меньше, а ближе к валу — большие углы). На рис. 1.4 представлена схема крыльчатого ветроколеса.
Рис. 1.4.Схема крыльчатого ветроколесо
Крыло ветроколеса состоит из трех основных узлов: лопасти и маха, с помощью которого оно скрепляется со ступицей.
Угол, который составляет лопасть с плоскостью вращения ветроколеса, называется углом заклинения и обозначается буквой φ. Углы, под которыми ветер набегает на элементы лопасти, обозначаются буквой а и называются углами атаки.
Если бы ветроколесо было неподвижным, то направление потока, набегающего на лопасть, совпадало бы с направлением ветра (т. е. по стрелке V). Но так как ветроколесо вращается, то каждый элемент лопасти имеет определенную окружную скорость ω∙R, которая тем больше, чем дальше отстоит элемент от оси ветроколеса. Эта скорость направлена в плоскости вращения ветроколеса. Таким образом, поток обдувает элементы лопасти с какой-то скоростью, складывающейся из скоростей V и ω∙R. Эта скорость получила название относительной скорости потока и обозначается буквой W.
Для каждого элемента лопасти эта скорость имеет свою величину и набегает под разными углами α. А так как наилучший режим работы крыльчатого ветродвигателя будет только при определенных углах атаки, то и приходится углы заклинения φ делать переменными по длине лопасти.
Важно иметь в виду, что если лопасти выполнены одинакового качества и профиля, то мощность ветродвигателя практически очень мало зависит от числа лопастей.
Ведь мощность ветродвигателя, как и любого другого двигателя, определяется произведением развиваемого двигателем вращающего момента М на угловую скорость ω.
Момент, развиваемый ветродвигателем, с уменьшением числа лопастей падает, однако примерно в той же пропорции возрастает число оборотов, т. е. угловая скорость. Таким образом, произведение М∙ω остается почти постоянным, мало зависящим от числа лопастей.
Кроме ветродвигателей крыльчатого типа, известны карусельные, роторные и барабанные ветродвигатели.
Первые два типа имеют вертикальную ось вращения, а последний — горизонтальную.
В отличие от крыльчатых ветродвигателей, у которых все лопасти работают одновременно, создавая вращающий момент, у карусельных и барабанных ветродвигателей одновременно работает лишь часть лопастей, а именно тех, движение которых совпадает с направлением ветра.
Для того чтобы уменьшить сопротивление лопастей, идущих навстречу ветру, их прикрывают ширмой, либо делают изогнутыми.
Вращающий момент на ветроколесах этих типов двигателей возникает за счет разности давлений на лопастях.
Ввиду малой эффективности (χ у этих ветродвигателей не превышает значения 0,18) и громоздкости, а также вследствие того, что они очень тихоходны, карусельные, барабанные и роторные двигатели в практике не нашли применения.
1.4. Упрощенная схема работы ветрогенератора
На сегодня существует два основных варианта работы ветрогенераторов.
Классическая несетевая схема: работа с аккумуляторными батареями и обычным инвертором. Этот вариант позволяет полностью или частично использовать автономное энергообеспечение. Для него неважно наличие общественной электросети (рис. 1.5).
Рис. 1.5.Упрощенная несетевая схема ветроэлектростанции
Сетевая схема: работа с сетевым инвертором без аккумуляторных батарей (рис. 1.6). В этой схеме можно частично или полностью компенсировать расходы на электроэнергию. Также возможна продажа электроэнергии по «зеленому тарифу». Наличие общественной сети необходимо.
Рис. 1.6.Упрощенная сетевая схема ветроэлектростанции
Существует также множество комбинированных и второстепенных по значимости вариантов работы ветровых станций и солнечных панелей (без инвертора, с источником бесперебойного питания и т. д.)
На рис. 1.5 представлена классическая схема работы ветрового электрогенератора (http://blog.ae.net.ua).
Аккумуляторные батареи (АКБ или АБ) — это накопительная емкость для произведенного ветрогенератором электричества. Электроэнергия направляется в аккумуляторы и находится в батареях до того момента, пока потребитель не воспользуется ею.
Задача аккумуляторов состоит в сохранении электроэнергии в промежутке между ее производством и потреблением.
Если объем аккумуляторной батареи будет мал, то она будет быстро заполняться, а излишки энергии будут пропадать. Объем аккумуляторной батареи должен быть большим, иначе потерь электроэнергии не избежать. Но большая батарея стоит дороже, занимает больше места и требует большего ухода. А если купить батарею огромного объема, то она никогда не будет заполняться на полную емкость, что будет элементарным расточительством средств. Необходимо учесть также и саморазряд батарей в течение очень длительного хранения энергии.
