ометаемая площадь ветроколеса это (2 видео)

Содержание

Основы теории использования энергии ветра
Ометаемая площадь ветроколеса это
Какой винт лучше, сколько лопастей нужно, а может вертикальный ветряк лучше
🔥 Видео

Видео:О ветрогенераторах, принцип работы винтов, мощность, количество лопастей, быстроходностьСкачать

Основы теории использования энергии ветра

Воздушный поток, как и всякое движущееся тело, обладает кинетической энергией. Одним из видов использования кинетической энергии является превращение ее в механическую работу.

Кинетическая энергия Е_в воздушного потока, имеющего скорость v, определяется по выражению

(2.8)

где m – масса движущегося воздушного потока;

(2.9)

где V – объем массы воздуха, протекающего за секунду через сечение А со скоростью v.

Количество энергии ветра, протекающего за 1 с через поперечное сечение:

(2.10)

Энергия ветра изменяется пропорционально площади поперечного сечения ветрового потока и кубу его скорости.

Отличительным свойством ветра является его повсеместность. Однако техническое использование энергии ветра во многих случаях крайне затруднено из-за низкой плотности воздуха (она в 800 раз меньше плотности воды). Для получения значительной мощности необходимо ветроколесо очень больших размеров, т.к. ветроагрегат может преобразовать только часть потенциальной энергии, определяемой коэффициентом использования энергии ветра x. При этом частота вращения ветроколеса должна регулироваться из-за непостоянства скорости ветра во времени и вырабатываемая мощность, изменяясь пропорционально третьей степени скорости ветра, будет иметь большую амплитуду колебаний.

Мощность, развиваемая ветроколесом

Мощность эта определяется как кинетическая энергия ветра, действующая в единицу времени, с учетом коэффициента ее использования:

Вт

(2.11)

где x- коэффициент использования энергии ветра.

Площадь, ометаемая крыльями ветроколеса:

где D – диаметр ветроколеса.

При плотности воздуха r =1,23 кг/м³ мощность, развиваемую ветроколесом, можно определить по выражению

, кВт

(2.12)

Мощность, развиваемая с единицы ометаемой площади:

, кВт/м 2 .

(2.13)

Таким образом, мощность, развиваемая ветроколесом, определяется ометаемой площадью ветроколеса, скоростью ветра и величиной коэффициента использования энергии ветра.

Коэффициент использования энергии ветра

Ветроколесо преобразует в механическую энергию только часть полной энергии потока. Воздушный поток при прохождении через поперечное сечение, ометаемое ветроколесом, имеет приблизительно форму, показанную на рис. 2.1.

Скорость воздушного потока снижается по мере приближения его к ветроколесу и на некотором расстоянии за ним. По классической теории, полные потери скорости воздушного потока за ветроколесом в два раза больше, чем потери в плоскости вращения ветроколеса. Вместе с тем давление воздуха по мере приближения к ветроколесу повышается, а за ним оно резко падает, вследствие чего за колесом образуется некоторое разрежение.

Рис.2.1. Изменение скорости ветра в плоскости вращения ветроколеса (I) и за ним (II)

Энергия, затраченная на вращение ветроколеса, равна разности кинетической энергии ветра перед ветроколесом и за ним:

(2.14)

где v² – скорость воздушного потока за ветроколесом.

С другой стороны, воспринятую ветроколесом энергию можно выразить как произведение силы давления ветра G на скорость потока в плоскости ветроколеса:

(2.15)

Отношение энергии, воспринятой ветроколесом, к полной энергии, которой обладает воздушный поток, называется коэффициентом использования энергии ветра:

=Е_вк/Е_в.

(2.16)

Коэффициент использования энергии ветра зависит от величины потери скорости ветра при прохождении его через плоскость ветроколеса. Согласно классической теории ветроколеса

(2.17)

Н.Е.Жуковский для идеального ветроколеса установил максимальную величину коэффициента использования энергии ветра x_max = 0,593. Этот предел может быть получен при условии:

т.е. идеальное ветроколесо должно работать так, чтобы потери скорости ветра в плоскости его вращения составляли 1/3 от поступающей величины.

Аэродинамические характеристики ветроагрегатов

Параметры различных ветроагрегатов удобно сопоставлять при помощи аэродинамических характеристик, которые показывают, как изменяются крутящий момент и коэффициент использования энергии ветра в зависимости от быстроходности ветроколеса. Необходимые данные для построения аэродинамических характеристик получают либо расчетом, либо экспериментально путем продувки модели ветроколеса в аэродинамической трубе. По полученным данным строят график, примерный вид которого показан на рис. 2.2.

Рис.2.2 Аэродинамические характеристики ветроколеса.

По оси абсцисс откладывают значения быстроходности Z ветроколеса, которые выражаются отношением окружной скорости конца лопасти к скорости ветра:

(2.18)

где w- угловая скорость, рад/c; R – радиус ветроколеса, м.

(2.19)

где М – момент, развиваемый ветроколесом.

Коэффициент использования энергии ветра определяется по выражению

(2.20)

Аэродинамическую характеристику строят в относительных величинах, поэтому она является общей для ветроколес любых размеров, если у них соблюдено геометрическое подобие. Основными точками кривой, определяющими главные параметры характеристики, являются:

— номинальная быстроходность (число модулей), при которой коэффициент использования энергии ветра максимальный (x_max);

— номинальный относительный вращающий момент, который развивает ветроколесо при номинальном числе модулей Z_Н ;

— начальный относительный момент, развиваемый колесом при трогании с места, т.е. когда Z = 0;

Z₀ — синхронная быстроходность, при которой =0;

— максимальный момент, развиваемый ветроколесом; отношение ( ) называется перегрузочной способностью ветроколеса.

Приведенные характеристики ветроколес различной быстроходности (рис.2.3), а также результаты теоретических и экспериментальных исследований позволяют сделать следующие выводы:

1. Чем больше число лопастей, их ширина и угол заклинивания, тем ниже быстроходность ветроколеса и кривая имеет крутопадающую форму.

2. Быстроходные ветроколеса развивают начальный момент М₀, в несколько раз меньше номинального момента М_Н, а синхронная быстроходность в 2…2,5 раза выше номинальной.

3. Мощность ветроколеса, при прочих равных условиях, мало зависит от числа лопастей и коэффициента заполнения , представляющего собой отношение площади лопастей к ометаемой поверхности. Основное влияние оказывают форма и профиль лопастей, их положение в потоке воздуха и диаметр ветроколеса.

4. Снижение начального момента происходит быстрее, чем рост быстроходности. Так, при увеличении Z_Н в два раза М₀ снижается в шесть-семь раз. В то же время приемистость, определяемая отношением М₀/М_H, у шестилопастного колеса в 3,3 раза выше, чем у двухлопастного.

5. Для постоянной аэродинамической схемы частота вращения ветроколеса прямо пропорциональна его быстроходности и скорости ветра и обратно пропорционально диаметру ветроколеса.

Рис.2.3. Характеристики ветроколес различной быстроходности:

1 –2-лопастного; 2 –3-лопастного; 3 –6-лопастного; 4 –18-лопастного;
сплошные линии M(Z); штриховые x(Z)

При выборе ветроагрегатов учитывают аэродинамические характеристики ветроколес и нагрузочные характеристики рабочих машин. Например, для привода тихоходной рабочей машины, имеющей большой начальный момент сопротивления, лучше использовать многолопастное тихоходное ветроколесо (Z_Н = 1,5…3). Это позволяет снизить значение минимальных рабочих скоростей ветра, уменьшить передаточное отношение редуктора и механические потери, но при этом снижается коэффициент использования ветра.

Для агрегатирования генератора, требующего большую частоту вращения и малый начальный момент, эффективнее использовать быстроходные ветроколеса (Z_Н = 5…8) с малым числом лопастей.

Для эффективного преобразования энергии ветра в зависимости от числа лопастей ветроколеса необходимо соответствующее оптимальное число модулей. Поэтому оптимальная быстроходность n-лопастного ветроколеса соответствует условию

Например, для 2-лопастного ветроколеса коэффициент x будет максимальным при Z_Н = 4 /2=6, для 4-лопастного – при Z_Н =3.

Улучшить пусковые и рабочие характеристики ветроагрегатов можно несколькими методами (отключением нагрузки на период разгона ветроколеса, применением различных муфт, аэродинамических устройств). В быстроходных ветроагрегатах применяют автоматические системы управления поворотом лопастей.

Принцип работы ветроколеса

Ветроколесо, вращаясь под действием силы ветра, преобразует энергию ветра в механическую работу. Вращение ветроколеса обусловлено действием сил сопротивления или подъемной силы. Действие этих сил зависит от геометрии расположения лопастей.

Воздушный поток, обтекая ветроколесо, создает лобовое давление, называемое силой сопротивления. При этом величина силы сопротивления зависит от формы лопастей, состояния их поверхности и положения относительно направления воздушного потока.

На плоскость, расположенную перпендикулярно к потоку и двигающуюся по направлению ветра, действует воздушный поток силой R_X. Под действием силы сопротивления ветроколесо приводится во вращение в плоскости, параллельной направлению ветра.

Для определения R_X ее изучают в аэродинамической трубе. При этом вводятся соответствующие коэффициенты, с помощью которых от сил и моментов, действующих на модель, переходят к соответствующим силам и моментам, действующим на натурное тело (лопасти ветроколеса).

Сила сопротивления может быть определена выражением

(2.21)

где С_Х – коэффициент аэродинамической силы сопротивления; ƒ – площадь крыла.

Установлено, что сила сопротивления зависит от формы обтекающего тела, и тем она больше, чем больше завихрен поток, обтекающий тело, в частности, лопасти ветроколеса. Например, у вогнутого полого полушара С_Х в 4 раза больше, чем у выпуклого.

На плоскость, расположенную под некоторым углом a к направлению воздушного потока, называемым углом атаки, действует некоторая сила R (рис.2.4). Эта сила раскладывается на две составляющие: сила R_Y действует вверх по вертикали и называется подъемной силой; сила R_X создает лобовое давление и вызывает силу сопротивления.

Рис.2.4. Подъемная сила, действующая на плоскость под углом атаки a

Подъемная сила выполняет полезную работу, приводя во вращение ветроколесо в плоскости, перпендикулярной направлению воздушного потока. Подъемная сила зависит от формы поперечного сечения крыла. Экспериментальные исследования в аэродинамической трубе позволили установить форму поперечного сечения крыла, которая дает наибольшую подъемную силу и наименьшую силу сопротивления. На рис. 2.5 для сравнения различных форм профиля показаны подъемные силы и силы сопротивления при одинаковом угле атаки. Наибольшую подъемную силу и наименьшую силу сопротивления имеет обтекаемый профиль

Обтекаемый профиль при малых углах атаки почти не вызывает вихрей, а пластинка вызывает значительные вихри на передней кромке. Вихри снижают подъемную силу и увеличивают силу сопротивления.

Рис. 2.5. Подъемная сила действующая на поверхности различного профиля

Подъемную силу можно определить по аэродинамическому коэффициенту С_Y:

(2.22)

Отношение коэффициента подъемной силы к коэффициенту силы сопротивления называется качеством крыла:

(2.23)

Качество крыла у обтекаемых лопастей может достигать величины k=24 и более. Это значит, что подъемная сила лопасти при малых углах атаки в 24 раза больше силы сопротивления.

При взаимодействии воздушного потока с лопастью возникают:

1) сила сопротивления – параллельная направлению ветра;

2) подъемная сила – перпендикулярная силе сопротивления;

3) препятствие для набегающего потока. Это свойство характеризуется коэффициентом заполнения. Так, при одинаковой форме 4-лопастное колесо имеет вдвое больше геометрическое заполнение, чем 2-лопастное;

4) турбулизация потока, т.е. возмущение его скорости по величине и направлению как за колесом, так и перед ним. В результате лопасть часто оказывается в потоке, турбулизированном другими лопастями.

Таким образом, воздушный поток под действием силы сопротивления или подъемной силы приводит в движение ветроколесо. Полезное действие этих сил зависит от геометрии расположения ветроколеса и формы самих лопастей.

Дата добавления: 2016-03-15 ; просмотров: 3607 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Видео:Мощность ветроустановки. Расчет ветроколеса.Скачать

Ометаемая площадь ветроколеса это

Коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ) это число которое показывает, какая часть воздкшного потока используется ветроколесом. Мощность ветроколеса на валу т.е. без учета потерь в передачах и подшипниках, можно подсчитать по формуле ;

p — массовая плотность воздуха, (при нормальных условиях-0,125).

V — скорость ветра (м/сек).

F — ометаемая ветроколесом поверхность(в метрах квадратных).

Е — коэффициент использования энергии ветра .

Рассчитать площадь ометания можно по формуле ;

Для нормальных условий (температура 15°Ц и давлении 760 мм ртутного столба) , мощность можно рассчитать по упрощенной формуле ;

— в лошадиных силах

D — диаметр ветроколеса (в метрах).

Коэффициент использования энергии ветра — ( Е ) зависит от типа ветродвигателя, то качества изготовления и других параметров. Лучшие быстроходные ветродвигатели, имеющие обтекаемые аэродинамические лопасти достигают значение Е = от0.43 до 0.47

Это значит что ветроколесо такой ВЭУ может полезно использовать 43-47 процентов энергии воздушного потока.

Максимальное, теоретически вычесленное значение Е = 0.593 но на практике этого достигнуть не возможно.

Видео:Как выбрать диаметр ветроколеса? График работы ветряка и контроллераСкачать

Какой винт лучше, сколько лопастей нужно, а может вертикальный ветряк лучше

Здравствуйте, дорогие читатели моего сайта, коллеги «больные ветрянкой», и просто заглянувшие на сайт! Этот материал для начинающих ветроловов, и речь пойдёт о лопастях, винтах, и прочих лопатках.

Сразу же я вставляю видео где моими словами сказано всё тоже самое что написано здесь. Если для вас удобнее воспринимать информацию в видео формате то смотрите далее.

Часто начинающие строители ветрогенераторов не могут определится с тем какой винт им нужен, какую мощность он может дать при конкретном ветре. Какого диаметра нужен винт, и сколько лопастей. Для приблизительной оценки мощности ветроколеса есть простая и наглядная формула. Она помогает понять каких примерно размеров будет винт если хочется например при 10м/с иметь мощность 5 кВт.

P=1.28*S*(V^3)

P — мощность ветрового потока

1.28 — плотность потока ветра

S — площадь ветроколеса ометаемая

(V^3) — скорость ветра в кубе

Формула расчёта мощности ветроколеса очень проста и часто встречается в статьях о том как сделать ветрогенератор. Суть формулы в том что ометаемая площадь ветроколеса, не важно какого, вертикального или горизонтального, умножается на скорость ветра в кубе, и в итоге получается мощность ветра воздействующая на винт при указанном ветре.

Есть в формуле ещё один множитель, это плотность воздушного потока (1.28), но она близка к единице, поэтому ей можно пренебречь. Также ещё вводят коэффициент 0.6. Тоесть умножают на 0.6. Дело в том что сам винт тормозит ветер и реальная скорость воздействующая на винт меньше той что на подлёте у ветра. Но у разных винтов коэффициент торможения отличается, и эту погрешность на начальном этапе тоже можно не учитывать.

К примеру мощность ветрового потока воздействующего на винт с ометаемой площадью винта 3кв.м при ветре 5м/с будет 375 ватт. Далее получившуюся мощность нужно умножить на КПД ветроколеса и получится та мощность, которую развивает сам винт. Диаметр винта с площадью 3кв.м равен 1.95м, и его мощность при КИЭВ 0.4 на ветру 5м/с будет 150вт. Ниже фото пары винтов диаметром 2.2м и 2.3м, это винты моего ветрогенератора.

КПД винта это коэффициент использования энергии ветра, сокращённо КИЭВ. Средний КИЭВ горизонтальных винтов 35-45%, а средний КИЭВ вертикальных ветрогенераторов типа бочки 15-25%. Также при расчёте нужно учесть и КПД генератора, то есть умножить на КПД генератора, но так как он не известен этто тоже можно опустить.

Почему же КИЭВ вертикальных ветряков в два раза меньше, а всё потому что одна половина ветроколеса не только не помогает крутить вал генератора, но ещё и возвращается на встречу ветру создавая обратную нагрузку. Некоторые конструкторы пытались ставить экран чтобы закрыть от ветра возвращающиеся лопатки, но всё равно получается что половина ветроколеса не работает совсем. Перенаправление потока ветра на лопатки экранами конечно даёт эффект, но не значительный.

Вертикальные лопасти большие и широкие, они сильно тормозят ветер, плюс ещё и направляющие экраны добавляют задержку ветрового потока. В результате перед таким ветроколесом как перед щитом образуется воздушная подушка, ветер не успевает проваливаться сквозь ветроколесо, он тормозится, теряет скорость и мощность, и сваливается уходя в стороны. Именно так большая часть мощности просто уходит в стороны, и реальная скорость ветра попадающая на лопасти значительно меньше той что у ветра на подлёте, отсюда и обороты меньше.

Лопасти горизонтального винта в любой момент времени имеют положительную и стабильную тягу и мощность, поэтому они эффективнее, нет переходных процессов, скачков и падений мощности. Но тут часто стоит вопрос о том сколько лопастей лучше. Многие говорят что чем больше лопастей тем мощнее и это кажется логичным. Одна лопасть к примеру даёт 100 ватт, значит две дадут уже 200 ватт, а десять лопастей дадут уже целый киловатт.

Когда на винт дует ветер то винт подобно щиту тормозит поток ветра, и чем больше лопастей тем сильнее происходит торможение ветрового потока. Ветер не успевает проваливаться сквозь лопасти, образуется давление перед винтом, так называемая воздушная подушка. И кажется что это хорошо, больше давления на лопасти значит больше мощность и тяга винта. Но получается так что ветер теряет скорость и мощность натыкаясь на эту воздушную подушку, и часть ветрового потока просто сваливается и обходит стороной винт. Та скорость ветра которая реально попадает на лопасти становится ниже, поэтому и углы у лопастей не такие острые как у скоростных винтов.

При этом внутри винта тот ветер который лопасти отклонили в сторону, он как раз направлен на те лопасти, которые идут следом, там образуется давление, которое и мешает лопастям двигаться вперёд. Ведь тот ветер что отклонили лопасти сталкивается ещё и с тем ветром, который пролетает между лопастей, этот ветер тоже тормозится, и давление в этих зонах становится ещё больше, и именно этом мешает лопастям крутится быстрее.

По этому чем больше лопастей тем медленней вращается винт. А по мощности получается так. Например возьмём трёхлопастной винт и шестилопастной. Быстроходность первого 8, быстроходность это отношение скорости ветра к скорости движения кончиков лопастей. Быстроходность шестилопастного винта 4.

Лопасть трёхлопастного винта движется в два раза быстрее, поэтому за единицу времени она пройдёт в два раза большее расстояние, и отработает с два раза большим количеством ветра. Тоесть она имея вдвое большую скорость успеет за секунду отнять у ветра в два раза больше энергии чем лопасть шестилопастного винта. При этом трёхлопастной винт уже не так сильно тормозит ветровой поток, ветер лучше проходит между лопастями, и лопастям легче, гораздо легче вращаться. Поэтому обороты выше, и мощность тоже.

Получается самый эффективный это однолопастной винт, да, оно так и есть. Он самый оборотистый и самый мощный. Он меньше всего тормозит ветровой поток, и лопасть за единицу времени успевает охватить больше ветра.

Но однолопастные винты тяжело балансировать, противовес с ростом оборотов набирает разный вес так как имеет разное удаление от центра, и от этого на больших оборотах происходит дисбаланс. Также и при поворотах ветряка, при влюгировании тоже происходит дисбаланс из-за гироскопических сил. Это происходит, хоть и в меньшей степени и с двухлопастными винтами. Поэтому почти все ветряки именно трёхлопастные, это как бы баланс оборотов и минимизации негативных явлений дисбаланса при поворотах и изменении ветрового потока.

Говорят что многолопастные винты имеют больший крутящий момент и тягу, но это тоже не так. Просто при перегрузке многолопастного винта, много энергии запасается в тяжёлом винте и кажется что его трудно быстро остановить. Также при снижении оборотов КИЭВ винта не так быстро падает как у трёхлопастных винтов. Но если брать с винта максимальную мощность, и не перегружать винт, то крутящий у трёхлопастного будет выше, выше мощность на валу. Но пик мощности в достаточно узком диапазоне в зависимости от скорости ветра и оборотов.

Например при быстроходности 8 у скоростного винта будет максимальная мощность, и если его перегрузить до быстроходности 6-7, то он резко начнёт терять мощность. У многолопастных чем больше лопастей тем шире диапазон максимальной мощности. Например винты 8-12 лопастей будут давать ту же практически мощность при быстроходности 2-3 и туже даже при быстроходности 1. При этом у таких винтов очень большой стартовый момент. Поэтому они часто используются для подъёма воды с прямым приводом.

Винт и генератор должны подходить к друг другу по мощности и оборотам, только так будет самая эффективная работа пары. Если винт поставить мощнее значит обороты будут ниже, то есть мощность ещё есть, а вот генератор не может дать больше. Немного уменьшив диаметр можно брать больше мощности так как поднимуться обороты при том же ветре. Также винт с перебором по мощности будет сильно недогружен при ураганных ветрах, и при чрезмерных оборотах винт, может просто развалится, а остановить его будет нечем при урагане, даже коротким замыканием фаз генератора.

Если же винт будет слабее чем генератор то тогда винт не сможет выходить на свои обороты, а значит и свою мощность не разовьёт. В итоге генератор то он будет крутить, но мощность будет значительно меньше чем могла бы быть.