Теория реального ветроколеса

Теория реального ветроколеса основана на предположении, что разность давлений воздушного потока по обе стороны ветроколеса воспринимается элементарными лопастями (рисунок 6.10). На основании этого были выведены уравнения, связывающие энергетические характеристики и аэродинамические параметры ветроколеса.

Важной энергетической характеристикой ветроколеса является его вращающий момент.

Максимальный вращающий момент не может быть больше произведения максимальной действующей на ветроколесо силы на радиус ветроколеса.

                                                                            (6.19)

Аналогично мощности ветроколеса его вращающий момент можно представить в виде /9/:

М_B = С_М М_max                                                                                     (6.20)

Здесь С_М – коэффициент использования момента, создаваемого ветром.

Введем определение быстроходности ветроколеса /5, 9, 13/:

                                                                                    (6.21)

Здесь v_R – линейная скорость движения конца лопасти, м/с:

ω – угловая частота вращения ветроколеса, с^-1.

Выразив радиус ветроколеса через его быстроходность, и учитывая, что мощность, развиваемая ветроколесом, связана с его вращающим моментом соотношением N_B = М_Вω, получаем:

C_NN₀ = C_MM_maxω                                                                                (6.22)

C_NN₀ = C_MN₀z                                                                                    (6.23)

C_N = zC_M                                                                                             (6.24)

Из полученных выражений следует, что чем меньше быстроходность ветроколеса, тем большую часть момента, создаваемого силой ветра, оно воспринимает.

Заметим, что ветроколесо, воспринимая энергию ветра, само должно вращать генератор или другую рабочую машину. С учетом этого представляет интерес, как мощность и момент ветроколеса зависят от скорости ветра.

Мощность, развиваемая ветроколесом, можно определить по формуле:

N_B = 0,65v³F_Bη_B                                                                                 (6.25)

где η_В – к.п.д. ветроколеса.

На первый взгляд кажется, что мощность, передаваемая ветроколесом, будет неограниченно возрастать с ростом скорости ветра. Однако при этом необходимо поддерживать максимальный к.п.д.

К.п.д. ветроколеса пропеллерного типа пропорционально степени торможения ветрового потока и его график аналогичен графику, приведенному на рисунке 6.9. Таким образом, если ветроколесо рассчитано на какую-то рабочую скорость ветра, то вплоть до достижения такой скорости к.п.д. ветроколеса будет расти, а после превышения значения рабочей скорости ветра, к.п.д. будет снижаться. Это приводит к тому, что при достижении рабочей скорости ветра, ветроколесо передает номинальную мощность, и при дальнейшем увеличении скорости ветра мощность ветроколеса остается практически постоянной.

Момент ветроколеса связан с мощностью зависимостью

                                                                                           (6.26)

Если ветер увеличит свою скорость, то, при постоянной быстроходности ветроколеса, должна увеличиться и его частота вращения. Однако это приведет к снижению момента ветроколеса. Следовательно, при постоянном моменте сопротивления, ветроколесо будет тормозиться до прежней частоты вращения.

При уменьшении скорости ветра правая часть (6.26) вначале растет, а затем начинает уменьшаться (рисунок 6.10). Это объясняется тем, что вначале передаваемая мощность снижается меньше, чем частота вращения, а затем – быстрее.

Рисунок 6.10. Зависимость момента ветроколеса

от скорости ветра

Описанная особенность ветроколеса пропеллерного типа позволяет поддерживать частоту вращения практически номинальной. При этом небольшие отклонения частоты вращения ветроколеса от номинального значения могут быть легко устранены различными способами поворота лопастей.

Устройство электростанций

Для вырабатывания электроэнергии переменного тока, в основном, используются ветроустановки пропеллерного типа с горизонтальной осью вращения. Это объясняется следующими причинами:

§ более высокий коэффициент использования энергии ветра, что позволяет применять ветроустановки с меньшим ветроколесом:

§ стабильная частота вращения при скорости ветра равной и выше рабочей;

§ высокая скорость вращения, что позволяет применять редукторы с меньшим передаточным числом.

Рисунок 7.4. Функциональная схема ветроэлектростанции

с пропеллерной ветроустановкой

1 – ветроколесо, 2 – обгонная муфта, 3 – синхронный генератор, 4 – двигатель постоянного тока, 5 – выпрямитель, 6 – коммутатор, 7 – аккумуляторы.

Автономная система электроснабжения работает следующим образом. При наличии ветра достаточной мощности (скорость ветра равна или больше рабочей скорости) ветроколесо через обгонную муфту приводит во вращение синхронный генератор, который питает потребители электроэнергии и заряжает аккумуляторы. При недостаточной мощности ветра (скорость ветра меньше рабочей скорости) обгонная муфта отсоединяет синхронный генератор от ветроколеса и подсоединяет к двигателю постоянного тока. Дальнейшее вращение синхронного генератора в штилевой период производится от двигателя постоянного тока, получаемого электроэнергию от аккумуляторов.

На рисунке 7.5 показана функциональная схема разработанной в ФГОУ ВПО АЧГАА ветроэнергетической установки, которая позволяет поддерживать частоту вращения генератора стабильной.

Установка работает следующим образом. При скорости ветра, более рабочей скорости, статор машины постоянного тока (МПТ) вращается с частотой вращения большей, чем номинальная частота вращения синхронного генератора. Но так как синхронный генератор приводится во вращение от якоря машины постоянного тока, то путем регулирования тока возбуждения МПТ устанавливается такой тормозной момент, при котором она работает в режиме генератора с частотой вращения якоря равной номинальной частоте вращения синхронного генератора.

При уменьшении скорости ветра вплоть до рабочей скорости уменьшается и частота вращения якоря машины постоянного тока относительно статора с таким расчетом, чтобы частота вращения синхронного генератора оставалась номинальной. При этом процесс регулирования качественно сохраняется.

Рисунок 7.5. Функциональная схема ветроэнергетической

установки роторного типа

1 – ветроколесо, 2 – повышающий редуктор, 3 – инерционный аккумулятор, 4 – обгонная муфта, 5 – понижающий редуктор, 6 – статор машины постоянного тока, 7 – якорь машины постоянного тока, 8 – синхронный генератор.