Единицами измерения скорости в СССР являются метр в секунду
(м/с) и километр в час (км/ч), за рубежом применяют также миля в час(1 миля/ч =
0,44 м/с). Направление вектора скорости измеряется в граду-сах или румбах и
показывает его угловое положение относительно направ-ления (обычно северного),
принятого за начало отсчета. Для измерения мгновенной скорости ветра, т.е. пути
воздушного пото-ка, пройденного им за промежуток времени, измеряемый секундами
или даже долями секунд, пользуются анемометрами различных конструкций. Чем
меньше интервал времени усреднения скорости, тем менее инерцион-ным должно быть
ветроприемное устройство анемометра. Поэтому для подобных измерений используют
специальный класс приборов - мало-инерционные. Усредненную за более длительные промежутки (несколько
десятков се-кунд или минут) скорость потока измеряют анемометрами и
интегрирую-щими устройствами разнообразных типов, которые имеют также приборы
для получения визуальных отсчетов и регистрирующую часть, обеспечи-вающую
запись скоростей на ленту. Погрешность измерения скорости анемометром может
доходить до 5 --7%, поэтому в тех случаях, когда тре-буется большая точность,
например при испытаниях в аэродинамической трубе ветродвигателей и их моделей,
используют трубку Пито, соединен-ную с микроманометром. На некоторых
метеостанциях наряду с анемо-метром иногда еще используют флюгер Вильда, но он
не дает требуемой точности измерений скорости, и практически для получения
данных с целью проведения энергетичееких расчетов он непригоден. Мгновенная скорость ветра часто определяет динамическое
воздейст-вие воздушного потока на ветродвигатель. Динамические характеристи-ки
потока, его порывы влияют на работу автоматических систем регули-рования и
ориентации. Количество энергии, которую может выработать ветроагрегат, зависит
в первую очередь от усредненной скорости ветра за определенный интервал времени
и по всему сечению потока, равному площади поверхности, ометаемой ветроколесом.
Именно эта скорость в основном определяет также режимы работы агрегата. Средняя скорость ветра v за выбранный промежуток времени Т =
t2--t1 определяется отношением суммы измеренных значений мгновен-ной скорости
Vj к числу измерений n: Среднесуточную скорость vсут находят делением на 24 суммы
среднеча-совых скоростей v4, а среднегодовую vr -- делением на 365 суммы всех vcyT за год. Средние значения скоростей в рассматриваемом районе, как
правило, определяют по данным наблюдений на метеостанциях, а в ряде случаев --
по материалам анеморазведок. В зависимости от категории и класса метеостанции,
требований и особенностей объектов, находящихся побли-зости от обслуживающих
станций, метеорологические сроки наблюдений за скоростью ветра устанавливаются
различные. Чаще всего приняты интервалы в 3, 4 или 6 ч с измерениями в
определенное время, но на части метеостанций и специальных объектов ведут
непрерывную запись ско-ростей (например, на Московской и других телебашнях, при
некоторых аэропортах, в зонах с аномальным ветровым режимом и т.д.) или
прово-дят ежечасные наблюдения. Класс открытости метеостанции, степень защищенности
(затененности препятствиями) анемометра учитывают при измерениях скорости ветра
различных направлений (по румбам). Для классификации станций поль-зуются
специальной методикой, предложенной В.Ю. Милевским, которая изложена в
литературе по метеорологии. Методика обеспечивает возмож-ность лучшей
сопоставимости наблюдений, их репрезентативности для обслуживаемой зоны. На
метеостанциях получают и накапливают доста-точно точные для практики сведения о
среднепериодных скоростях, ко-торые в сравнении с данными, вычисленными по
среднечасовым скорос-тям, дают относительно небольшую погрешность. Надо иметь в
виду, что на показания анемометров влияют их расположение, макро- и
микро-рельеф местности, класс открытости метеостанции. Это следует учиты-вать
при пересчете скоростей для определенной высоты и для каждого конкретного
района, где предполагается установка ветроагрегата, даже если он расположен
сравнительно недалеко от станции. Средние скорости ветра меняются в различное время суток,
разные ме-сяцы и сезоны. Поэтому рассматривают суточный, месячный и сезонный
ход скоростей, определяющий общую тенденцию их изменения в ука-занные периоды и
оценивающий макроструктуру воздушного потока. Предельные значения скоростей
ветра, данные об его интенсивности и микроструктура потока в различных точках
его поперечного сечения и продольного вектора за относительно короткие
интервалы времени яв-ляются важными режимными характеристиками ветра,
используемыми в расчетах на прочность и долговечность агрегатов, при
проектировании механизмов привода, систем регулирования и ориентации, схем
совмест-ного использования с другими установками и др. Важной характеристикой является вертикальный профиль ветра,
т.е. изменения его скорости по высоте в приземном слое. Влияние зем-ной
поверхности на скорость и направление ветра уменьшается по мере увеличения
высоты. Поэтому скорость обычно возрастает, а порывис-тость и ускорения потока
снижаются. Градиент скоростей летом, как правило, меньше, чем зимой, когда
вертикальный перепад температур относительно небольшой. При адиабатическом
градиенте температуры в нижних слоях атмосферы вертикальный профиль ветра v (К)
аппроксими-руется зависимостями вида Важнейшее значение для надежности и долговечности
ветроэнергети-ческой установки имеют значения предельных скоростей ветра в
зоне. \ Они определяют принимаемые расчетные нормативы при проектировании узлов
и конструкций установки на прочность, параметры регуляторов, аэродинамические
характеристики лопастей. При определении расчетных значений максимальных скоростей
ветра различной вероятности, поль-зуются формулой Л.С. Гандина и Л.Е.
Анапольской где F(x) -- вероятность того, что v превзойдет заданное
значение х; (1, у - параметры уравнения, зависящие от характеристик зоны и
режи-мов ветра; е -- основание натурального логарифма. Для оценки относительной скорости ветра в метеорологической
прак-тике используют коэффициент, %, где - -- измеренная в определенный час скорость; v - средняя
скорость за выбранный промежуток времени; vmax> vmin -- экстремальные значе-ния
скорости ветра за этот период. Линии, соединяющие точки на карте, имеющие равные величины
К', называются изоплетами. Энергия Е воздушного потока с поперечным сечением F, Дж: E = mv2/2. Секундная масса т воздуха, протекающая со скоростью v через
это сече-ние, кг/с: m =pFv. Подставляя E в m, получаем, Дж/с, E = pv3F/2, где р -- плотность воздуха, равная для нормальных условий
1,23 кг/м3 (при t = 15 °С и р = 101,3 кПа или 760мм рт. ст.). Таким образом, энергия ветра изменяется пропорционально кубу
его скорости. Ветроколесо может преобразовать в полезную работу только часть
этой энергии, которая оценивается коэффициентом использования энергии ветра ?.
Для идеального крыльчатого ветроколеса максимально достижимая величина ?,
рассчитанная по классической теории Н.Е. Жу-ковского и теории Г.Х. Сабинина,
равна соответственно 0,593 и 0,687. Современные ветродвигатели при работе в
номинальном (расчетном) режиме преобразуют в механическую работу не более 45 --
48% кинетической энергии ветрового потока, что вызвано различными потерями и
другими причинами. Кинетическая энергия, которой потен-циально обладает
ветровой поток, зависит от скорости ветра v, температуры воздуха t и
атмосферного давления р. Удельная мощность (секунд-ная энергия), которая заключена
в потоке, имеющем поперечное сечение, равное 1 м2, при t = +15°С и p= 101,3
кПа округленно составляет: Скорость ветра, м/с....... 4 6 8 10 14 18 22 Мощность потока, кВт/м2 ... 0,04 0,13 0,31 0,61 1,67 3,6
6,25 По отношению к этим условиям изменение температуры воздуха
от + 15 до 0 °С повышает мощность потока примерно на 6%, а при t = +30 °С
энергия, заключенная в потоке, наоборот, снижается на 5%. При постоян-ной
температуре воздуха 0°С изменение атмосферного давления, напри-мер, от 103,7 до
97,3 кПа (от 770 до 730 мм
рт. ст.) снижает энергию по-тока примерно на 6%.ПРИНЦИПЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА И РАБОТЫ
ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ Воздушный поток, как и любое движущееся тело, обладает
энергией движения, или запасом кинетической энергии. Последняя с помощью
ветроколеса или другого рабочего органа преобразуется в механическую энергию. В
зависимости от назначения ветроустановки механическая энер-гия с помощью
исполнительных механизмов (генератора, компрессора, электролизера и т.д.) может
быть преобразована в электрическую, тепло-вую или механическую энергию, а также
в энергию сжатого воздуха. Согласно (3.7) -- (3.9) секундная кинетическая
энергия Е воздушного потока с площадью поперечного сечения F, имеющего массу т,
плот-яость р и скорость v, равна pFv3/2. Замечая, что F - ПR2, и сделав
соот-ветствующие подстановки, получим, Н*м/с, . Карусельный ветродвигатель-шторка Модель карусельного
ветродвигателя с поворачивающимися лопастями 1 - вертикальная ось; 2 - горизонтальные планки; 3 -
поворачивающиеся лопасти; 4 -ось лопасти Следовательно, секундная энергия, или мощность воздушного
потока, пропорциональна его плотности, плошали поперечного сечения и кубу
скорости. Часть полной энергии потока, воспринятой ветроколесом,
которую вет-родвигатель преобразует в механическую энергию, оценивается
коэффи-циентом использования энергии ветра который зависит от типа ветродвигателя и режима его работы. Секундная работа или мощность, Н-м/с, развиваемая
ветроколесом, оп-ределяется по формуле Р= pv3F Так как плотность воздуха очень мала (в 800 раз меньше
плотности воды), то для получения относительно больших мощностей приходится
применять ветродвигатели со значительной поверхностью ветроколеса. Постоянные
изменения скорости v приводят к тому, что мощность, раз-виваемая двигателем,
изменяется в очень больших пределах: от нуля во время штиля до величины, в
десятки раз превосходящей установленную мощность, на которую рассчитывают
ветродвигатель при расчетной ско-рости ветра. Для преобразования кинетической
энергии воздушного потока в меха-ническую энергию могут быть использованы
ветродвигатели различных типов. Первыми (примерно в XVIII в. до н.э.)
появились, по-видимому в Персии и Китае, двигатели с вертикальной осью
вращения, как наиболее простые. Они получили название карусельных. Чтобы
получить вращаю-щий момент на оси, лопасти, движущиеся навстречу ветру, должны
быть прикрыты шторкой (рис. 4.3) или поворачиваться ребром к потоку (рис. 4.4).
Для этого они укрепляются на оси с помощью шарниров и на активном участке пути
(в зоне А) фиксируются в нужном положении специальными устройствами (упорами). Роторный
ветродвигатель Барабанный
ветродвигатель Разновидностью двигателей карусельного типа являются
роторные двигатели, у которых рабочие поверхности выполнены не плоскими, а
криволинейными (рис. 4.5). Поэтому давление на них при движении по направлению
действия потока и против него разное, что и обусловлива-ет возникновение
вращающего момента. Двигатели с плоскими рабочи-ми поверхностями, вращающимися
относительно горизонтальной оси, получили название барабанных (рис. 4.6). Все перечисленные типы двигателей работают в результате
наличия разности сил лобового давления, образуемых относительно оси враще-ния.
При этом нетрудно показать, что наибольшую мощность двигатель развивает в том
случае, когда рабочая плоскость, воспринимающая давле-ние ветра, движется по
направлению потока со скоростью, примерно рав-ной 1/3 его скорости. Большинство
из указанных типов двигателей имеет весьма простую конструкцию, но тем не менее
они не нашли широкого распространения из-за своей тихоходности, громоздкости,
малого значе-ния коэффициента использования энергии ветра ij (в лучших условиях
он не превышает 0,18), больших трудностей, возникающих при необходи-мости
оборудования их системами автоматического регулирования разви-ваемой мощности и
частоты вращения. В последние годы в ряде зарубежных стран (США, Канаде,
Аргентине, Великобритании и др.) большое внимание привлекли к себе
ветродвига-тели с вертикальной осью вращения, предложенные в 30-х годах
фран-цузским изобретателем Дарье. Этот ветродвигатель (рис. 4.7) отличает-ся
тем, что его ветроприемное устройство -- ротор состоит из двух-четы-рех
изогнутых лопастей, имеющих в поперечном сечении аэродинамичес-кий профиль.
Лопасти, закрепленные в точках А и Б на оси вращения, изогнуты так, что
образуют пространственную конструкцию, вращаю-щуюся под действием подъемной
силы, возникающей на лопастях от ветрового потока. Это позволяет повысить
величину ? до 0,3--0,32. Пре-имуществами такого ветродвигателя являются его
меньший относитель-ный вес на единицу мощности, чем у других типов двигателей с
верти- риc. 1.5. Ветродвигатель (ротор) системы Дарье: 1 - лопасти; 2 - вал; 3 - растяжки; 4 - опора; 5 - привод кальной осью вращения, большая быстроходность. Кроме того, в
отли-чие от двигателей с горизонтальной осью система Дарье не нуждается в
механизме ориентации по направлению ветрового потока. Более совершенными двигателями являются так называемые
крыль-чатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения ветроколеса, ра-бочий
момент на котором создается за счет аэродинамических сил, воз-никающих на
лопастях, которые в простейших конструкциях представ-ляют собой плоскости. В
современных агрегатах применяют лопасти, имеющие специальный аэродинамический профиль.
Они появились при-мерно в IV--III в. до н. э. в Александрии [321. Принципиальная схема
ветродвигателя крыльчатого типа с горизонтальной осью вращения: / - редуктор; 2 - генератор; 3 - вертикальный вал . Принцип работы ветроколеса: а - подъемная сила крыла Ру; б - план скоростей воздушного
потока и сил, действующих на лопасть Такие ветродвигатели более быстроходные, имеют меньшую
относительную массу, снабжены устройствами, автоматически регулирующими
развиваемую мощность, ограничивающими частоту вращения и ориентирующими ось
вращения ветроколеса по направлению вектора скорости потока. Коэф-фициент
использования энергии ветра у них примерно в 3 раза выше, чем у двигателей
карусельного, роторного и барабанного типов. В большинстве стран производят и применяют только крыльчатые
вет-родвигатели. Двигатели других типов изготовляют обычно кустарным пу-тем или
производят в очень небольших количествах. Поэтому в дальней-шем мы будем
рассматривать только агрегаты и установки с двигателями крыльчатого типа.
Основным рабочим органом такого двигателя являет-ся ветроколесо с лопастями,
расположенными по радиусам и под некото-рым углом tp к плоскости вращения.
Число лопастей может быть различ-ным и зависит от назначения двигателя. При
обтекании воздушным пото-ком крыла под ним создается зона повышенного давления,
а над ним, напротив, пониженного. Это обусловливает возникновение подъемной
силы Pv, которая создает вращающий момент на ветроколесе Электрические зарядные ветроагрегаты, предназначенные для
зарядки аккумуляторов с целью освещения жилищ чабанов, полевых станов, юрт
оленеводов, палаток и домиков различных экспедиций, а также для пита-ния
сигнальных устройств, радиоузлов, приемников и телевизоров, обыч-но имеют
мощность 1 кВт и используются в неэлектрифицированных, удаленных от линий
электропередачи и малонаселенных районах, где vv > 3,5 м/с. Агрегаты
мощностью от 50 Вт до 1,5 кВт применяют также в качестве энергоустановок для
питания устройств катодной защиты ма-гистральных нефте- и' газопроводов, морских
эстакад, питания автома-тических метеостанций и опреснительных установок
индивидуального пользования. Агрегаты снабжены аккумуляторными батареями
низкого напряжения (6--24 В), которые работают в буферном режиме. Агрегат АВЭУ-2 (прежняя марка -- АВЭС-0,1) имеет следующие
узлы (рис. 5.26): ветроколесо 1 диаметром 2 м, головка 2, хвост 3, стойка 4 и
электрический щиток с аккумуляторной батареей. Стойка головки при-креплена к
опорному столбу 5 и растяжками 6, на котором укреплен ры-чаг ручного
управления, с помощью которого, тормозя вал генератора, останавливают агрегат. Ветроколесо имеет две металлические лопасти,
поворачивающиеся в подшипниках втулки, закрепленной- на валу генератора.
Центробежный регулятор работает по такому же принципу, как 'и агрегат «Беркут».
В зависимости от скорости ветра и величины нагрузки частота вращения изменяется
в диапазоне от 300 до 800 об/мин. На стойке, несущей ферму с хвостовым оперением, закреплен
генера-тор с возбуждением от постоянных магнитов. В нем расположены трех-фазная
неподвижная статорная обмотка и ротор в виде восьмиполюсного постоянного
магнита. Они размещены в корпусе из алюминиевого сплава. В зависимости от
способа соединения обмоток генератор вырабатывает ток напряжением 26 или 15 В. Генератор соединен с электрическим щитком трехжильным
кабелем, пропущенным сквозь трубу стойки, которая может поворачиваться в Скорость ветра, м/с Показатели ---------------------------------- 4 5 6 7 8 и выше Мощность, кВт 0,8 1,6 4,5 7,8 12 Qnpи H#Ј=50M- 5,9 11,3 14,1
16 Q при H #2 = 100
м - 4,6 9,7 12 15 следующая
