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 F_с, і 2 – в напряму, перпендикулярному швидкості потоку, що набігає, і називається підйомною силою F_п (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 С_N, 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 ρ вітроколесо з омиваною площиною S розвиває потужність N=C_N S ρ . 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 C_N ~ 0,45-0,48; у тихоходних коліс C_N ~ 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

 

Аеродинамі́чна труба́ — 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	С N
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

 

Показники манометру , мм		8,2	15,2	20,2	25,2	5,2	10,2	13,2	19,2	25,2
	9,2	14,2	21,2	26,2	6,2	11,2	14,2	18,2	26,2
	10,2	15,2	22,2	27,2	7,2	10,2	15,2	20,2	27,2
	9,2	14,7	21,2	28,2	6,2	12,2	14,7	19,2	28,2
	10,2	16,2	23,2	29,2	8,2	13,2	16,2	22,2	29,2
Параметри генератора вітроколеса	U, B		4,3	9,7	12,4	19,7	3,6	7,3	8,3
	4,4	10,2	12,8	20,2	3,8	7,8	8,7	11,2	13,3
	4,7		13,1	22,2		7,3	9,2	11,7	13,6
	4,45	10,2	12,9	23,7	3,85	8,3	8,9	11,1	14,1
	4,72	11,2	17,2	25,2	4,3	8,4	9,7	12,3	14,7
I, mA		9,7	20,2	26,2	41,7	7,7	15,7	17,7	23,2	27,7
	10,2	19,2	27,7	45,2	8,2	16,7	19,2	22,9	28,7
	11,2	20,7	30,7	47,7	9,2	16,2	19,7	23,2	29,7
	10,2	20,2	27,7	53,2	8,7	17,2	20,2	23,7	30,7
	11,2	23,2	33,7	60,7	9,7	18,2	22,7	26,7	33,2

Показники манометру , мм		8,4	15,4	20,4	25,4	5,4	10,4	13,4	19,4	25,4
	9,4	14,4	21,4	26,4	6,4	11,4	14,4	18,4	26,4
	10,4	15,4	22,4	27,4	7,4	10,4	15,4	20,4	27,4
	9,4	14,9	21,4	28,4	6,4	12,4	14,9	19,4	28,4
	10,4	16,4	23,4	29,4	8,4	13,4	16,4	22,4	29,4
Параметри генератора вітроколеса	U, B		4,5	9,9	12,6	19,9	3,8	7,5	8,5	11,2	13,2
	4,6	10,4		20,4			8,9	11,4	13,5
	4,9	10,2	13,3	22,4	4,2	7,5	9,4	11,9	13,8
	4,65	10,4	13,1	23,9	4,05	8,5	9,1	11,3	14,3
	4,92	11,4	17,4	25,4	4,5	8,6	9,9	12,5	14,9
I, mA		9,9	20,4	26,4	41,9	7,9	15,9	17,9	23,4	27,9
	10,4	19,4	27,9	45,4	8,4	16,9	19,4	23,1	28,9
	11,4	20,9	30,9	47,9	9,4	16,4	19,9	23,4	29,9
	10,4	20,4	27,9	53,4	8,9	17,4	20,4	23,9	30,9
	11,4	23,4	33,9	60,9	9,9	18,4	22,9	26,9	33,4

Показники манометру , мм		8,6	15,6	20,6	25,6	5,6	10,6	13,6	19,6	25,6
	9,6	14,6	21,6	26,6	6,6	11,6	14,6	18,6	26,6
	10,6	15,6	22,6	27,6	7,6	10,6	15,6	20,6	27,6
	9,6	15,1	21,6	28,6	6,6	12,6	15,1	19,6	28,6
	10,6	16,6	23,6	29,6	8,6	13,6	16,6	22,6	29,6
Параметри генератора вітроколеса	U, B		4,7	10,1	12,8	20,1		7,7	8,7	11,4	13,4
	4,8	10,6	13,2	20,6	4,2	8,2	9,1	11,6	13,7
	5,1	10,4	13,5	22,6	4,4	7,7	9,6	12,1
	4,85	10,6	13,3	24,1	4,25	8,7	9,3	11,5	14,5
	5,12	11,6	17,6	25,6	4,7	8,8	10,1	12,7	15,1
I, mA		10,1	20,6	26,6	42,1	8,1	16,1	18,1	23,6	28,1
	10,6	19,6	28,1	45,6	8,6	17,1	19,6	23,3	29,1
	11,6	21,1	31,1	48,1	9,6	16,6	20,1	23,6	30,1
	10,6	20,6	28,1	53,6	9,1	17,6	20,6	24,1	31,1
	11,6	23,6	34,1	61,1	10,1	18,6	23,1	27,1	33,6

Показники манометру , мм		8,8	15,8	20,8	25,8	5,8	10,8	13,8	19,8	25,8
	9,8	14,8	21,8	26,8	6,8	11,8	14,8	18,8	26,8
	10,8	15,8	22,8	27,8	7,8	10,8	15,8	20,8	27,8
	9,8	15,3	21,8	28,8	6,8	12,8	15,3	19,8	28,8
	10,8	16,8	23,8	29,8	8,8	13,8	16,8	22,8	29,8
Параметри генератора вітроколеса	U, B		4,9	10,3		20,3	4,2	7,9	8,9	11,6	13,6
		10,8	13,4	20,8	4,4	8,4	9,3	11,8	13,9
	5,3	10,6	13,7	22,8	4,6	7,9	9,8	12,3	14,2
	5,05	10,8	13,5	24,3	4,45	8,9	9,5	11,7	14,7
	5,32	11,8	17,8	25,8	4,9		10,3	12,9	15,3
I, mA		10,3	20,8	26,8	42,3	8,3	16,3	18,3	23,8	28,3
	10,8	19,8	28,3	45,8	8,8	17,3	19,8	23,5	29,3
	11,8	21,3	31,3	48,3	9,8	16,8	20,3	23,8	30,3
	10,8	20,8	28,3	53,8	9,3	17,8	20,8	24,3	31,3
	11,8	23,8	34,3	61,3	10,3	18,8	23,3	27,3	33,8

Показники манометру , мм
		15,5					15,5
Параметри генератора вітроколеса	U, B		5,1	10,5	13,2	20,5	4,4	8,1	9,1	11,8	13,8
	5,2		13,6		4,6	8,6	9,5		14,1
	5,5	10,8	13,9		4,8	8,1		12,5	14,4
	5,25		13,7	24,5	4,65	9,1	9,7	11,9	14,9
	5,52				5,1	9,2	10,5	13,1	15,5
I, mA		10,5			42,5	8,5	16,5	18,5		28,5
			28,5			17,5		23,7	29,5
		21,5	31,5	48,5			20,5		30,5
			28,5		9,5			24,5	31,5
			34,5	61,5	10,5		23,5	27,5

Показники манометру , мм		9,2	16,2	21,2	26,2	6,2	11,2	14,2	20,2	26,2
	10,2	15,2	22,2	27,2	7,2	12,2	15,2	19,2	27,2
	11,2	16,2	23,2	28,2	8,2	11,2	16,2	21,2	28,2
	10,2	15,7	22,2	30,2	7,2	13,2	15,7	20,2	29,2
	11,2	17,2	24,2	30,2	9,2	14,2	17,2	23,2	30,2
Параметри генератора вітроколеса	U, B		5,3	10,7	13,4	20,7	4,6	8,3	9,3
	5,4	11,2	13,8	30,2	4,8	8,8	9,7	12,2	14,3
	5,7		14,1	23,2		8,3	10,2	12,7	14,6
	5,45	11,2	13,9	24,7	4,85	9,3	9,9	12,1	15,1
	5,72	12,2	18,2	26,2	5,3	9,4	10,7	13,3	15,7
I, mA		10,7	21,2	27,2	42,7	8,7	16,7	18,7	24,2	28,7
	11,2	20,2	28,7	46,2	9,2	17,7	20,2	23,9	29,7
	12,2	21,7	31,7	48,7	10,2	17,2	20,7	24,2	30,7
	11,2	21,2	28,7	54,2	9,7	18,2	21,2	24,7	31,7
	12,2	24,2	34,7	61,7	10,7	19,2	23,7	27,7	34,2

Показники манометру , мм		9,4	16,4	21,4	26,4	6,4	11,4	14,4	20,4	26,4
	10,4	15,4	22,4	27,4	7,4	12,4	15,4	19,4	27,4
	11,4	16,4	23,4	28,4	8,4	11,4	16,4	21,4	28,4
	10,4	15,9	22,4	30,4	7,4	13,4	15,9	20,4	29,4
	11,4	17,4	24,4	30,4	9,4	14,4	17,4	23,4	30,4
Параметри генератора вітроколеса	U, B		5,5	10,9	13,6	20,9	4,8	8,5	9,5	12,2	14,2
	5,6	11,4		30,4			9,9	12,4	14,5
	5,9	11,2	14,3	23,4	5,2	8,5	10,4	12,9	14,8
	5,65	11,4	14,1	24,9	5,05	9,5	10,1	12,3	15,3
	5,92	12,4	18,4	26,4	5,5	9,6	10,9	13,5	15,9
I, mA		10,9	21,4	27,4	42,9	8,9	16,9	18,9	24,6	28,9
	11,4	20,4	28,9	46,4	9,4	17,9	20,4	24,1	29,9
	12,4	21,9	31,9	48,9	10,4	17,4	20,9	24,4	30,9
	11,4	21,4	28,9	54,4	9,9	18,4	21,4	24,9	31,9
	12,4	24,4	34,9	61,9	10,9	19,4	23,9	27,9	34,4