ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ

ВЕТРЯНОЙ ДВИГАТЕЛЬ преобразует энергию ветра в механическую работу. Основная рабочая часть В. д. — ветровое колесо. В. д. по принципу работы разделяются на 3 основных типа: 1) карусельные, 2) барабанные и 3) крыльчатые. Барабанные В. д. отличаются от карусельных лишь расположением ветрового колеса в воздушном потоке; ось ветрового колеса барабанного В. д. располагается в горизонтальной плоскости, перпендикулярно к направлению ветра (рис. 1), а ось ветрового колеса карусельного В. д. располагается в вертикальной плоскости (рис. 2). Принцип работы карусельных и барабанных В. д. основан на использовании силы сопротивления поверхности, находящейся под действием воздушного потока и перемещающейся в его направлении. Отсюда крупные недостатки данного принципа работы: воздушный поток, обтекающий ветровое колесо, действует только на половину лопастей, в то время как другая часть лопастей либо прикрыта ширмой, либо расположена ребром к направлению ветра. Движение лопастей в направлении ветрового потока обусловливает тихоходность двигателя (поверхности не могут перемещаться быстрее движущего их потока). В результате В. д. карусельного и барабанного типа отличаются низким коэф-том использования энергии ветра. Принцип работы крыльчатых В. д. отличен от принципа работы карусельных и барабанных. У крыльчатых В. д. крутящий момент ветрового колеса создаётся за счёт подъёмных сил, к-рые возникают при набегании воздушного потока на его лопасти, стоящие под нек-рым углом к направлению относительной скорости потока. Этот угол называют углом атаки (рис.3). В данном случае лопасти перемещаются перпендикулярно к направлению потока и находятся под одинаковой нагрузкой в течение всего процесса их работы при определённой скорости ветра. Благодаря этому получается высокий коэф-т использования энергии ветра и большая быстроходность В. д. При протекании воздушного потока через ветровое колесо нек-рая часть его энергии превращается в механическую работу. Отношение энергии, полученной в виде механической работы, к энергии, заключённой в воздушном потоке, протекающем через ветровое колесо, принято называть коэф-том использования энергии ветра. По теории Н. Е. Жуковского, В. П. Ветчинкина, теоретический коэф-т использования энергии ветра равен 0,593; по новой теории Г. X. Сабинина, он равен 0,68. Этот коэф-т называют идеальным, т. к. приведённое значение его м. б. получено лишь от ветрового колеса, работающего без потерь. Реальный коэф-т использования энергии ветра значительно ниже и характеризуется след. данными: 1) крыльчатые В. д. — 0,35 — 0,42; 2) карусельные — 0,06 — 0,10; 3) роторные — 0,15 — 0,24. В практике широко применяются крыльчатые В. д. 2 типов: 1) многолопастные тихоходные и 2) малолопастные быстроходные.

Рис. 1. Схема ветрового колеса барабанного типа

Рис. 2. Схема ветрового колеса карусельного ветродвигателя

Рис. 3. Схема крыльчатого ветрового колеса и его положение в потоке ветра: Р_x — сила, создающая лобовое давление; Р_y — сила, создающая крутящий момент: а — угол атаки; р — угол заклинения лопасти; у-у — плоскость вращения ветрового колеса

Многолопастные В. д. имеют ветровое колесо с 8 и более лопастями. Особенностью многолопастных В. д. является тихоходность и большой начальный — пусковой момент ветрового колеса, что делает их удобными для работы с машинами, требующими большого начального момента при трогании, напр., поршневой насос, чигирь и т. п. Многолопастные В. д. применяются, гл. обр., для работы с поршневыми насосами.

Рис. 4. Общий вид ветродвигателя ТВ-5

Рис. 5. Схема регулирования ветродвигателя ТВ-5 выводом ветрового колеса из-под ветра

Малолопастные В. д. имеют ветровое колесо с числом лопастей от 2 до 6. Особенность этих двигателей — быстроходность. В отношении же пускового момента быстроходные В. д. уступают многолопастным, т. к. этот момент у них мал. Поэтому быстроходные В, д. удобны для работы с такими машинами, к-рые требуют малого момента при трогании и большого числа оборотов, при установившемся режиме работы, как, напр., генераторы и центробежные насосы.

Цельнометаллические В. д. В СССР применяются 3 типа этих В. д., изготовляемых промышленностью: ТВ-5, ТВ-8 и ВИМЭ-Д-12. В. д. ТВ-5 имеет многолопастное ветровое колесо с диам. в 5 м (рис. 4). Начинает работать при скорости ветра от 3 до 4 м /_сек. При скорости ветра 8 м /_сек начинает действовать регулирование, ограничивающее обороты и мощность двигателя путём вывода ветрового колеса из-под ветра (рис. 5). При скорости ветра до 8 м /_сек ветровое колесо занимает положение 1, а при скорости ветра выше 8 м /_сек — положение 2, и, наконец, при скорости ветра выше 14 м /_сек ветровое колесо занимает положение 3 и останавливается. Выход колеса из-под ветра при скорости последнего выше 8 м/сек обусловливается тем, что ось вращения колеса смещена относительно вертикальной оси головки В. д. Центр давления ветрового потока также смещён относительно вертикальной оси. Вследствие этого сила ветра создаёт крутящий момент, поворачивающий головку В. д. в горизонтальной плоскости и уводящий ветровое колесо от прямого воздействия воздушного потока. В обратное положение ветровое колесо возвращается пружиной, к-рая с одной стороны прикреплена к хвосту, располагающемуся приблизительно параллельно направлению ветра, а с другой — к головке В. д. Так. обр., в процессе регулирования всё время соблюдается равновесие между моментом от усилия пружины и моментом от давления ветра на ветровое колесо, стремящимся повернуть колесо вокруг вертикальной оси головки. В зависимости от степени натяжения пружины, ветровое колесо может выходить из-под ветра при большей или меньшей его скорости. В. д. монтируют на металлической башне ферменной конструкции выс. в 15 м и применяют только для подъёма воды поршневым насосом.

Читать еще: Двигатели гранд старекс какой надежней

Рис 6. Общий вид ветродвигателя ТВ-8

Рис.7. Регулирование ветродвигателя ТВ-8 выводом ветрового колеса из-под ветра боковой лопатой

В. д. ТВ-8 имеет ветровое колесо диам. 8 м с 18 лопастями (рис. 6). Вращение ветрового колеса передаётся через пару конических зубчатых колёс вертикальному валу, к-рый у основания башни приключён к приводной лебёдке, имеющей кривошипный механизм для привода штанги насоса и шкив от к-рого ременной передачей можно вращать центробежный насос, мельничный постав и др. с.-х. машины. Установка на ветер осуществляется хвостом (подобно флюгеру). Регулирование оборотов и мощности осуществляется боковой лопатой, закреплённой позади плоскости вращения ветрового колеса. При увеличении скорости ветра выше 8 м /_сек сила ветра, действующая на лопату, поворачивает головку В. д. в горизонтальной плоскости и выводит ветровое колесо из-под ветра (рис. 7). В. д. смонтирован на металлической башне ферменной конструкции выс. 15 м.

В. д. ВИМЭ-Д-12 — быстроходный (рис. 8.) Ветровое колесо двигателя имеет в диам. 12 м и состоит из 3 лопастей, с обтекаемым аэродинамическим профилем. Вращение ветрового колеса передаётся через пару конических шестерён вертикальному валу, к-рый внизу приключён к редуктору.

Рис. 8. Общий вид ветродвигателя ВИМЭ-Д-12

Рис. 9. Различные положения конца лопасти в процессе работы ветродвигателя ВИМЭ-Д-12 (регулирование)

На концах горизонтального вала редуктора насажено 2 шкива для передачи вращения генератору, центробежному насосу, мельничному поставу или др. машинам. Установка на ветер осуществляется хвостом. Регулирование мощности и оборотов В. д. осуществляется поворотом конца лопасти под необходимый угол атаки к ветровому потоку. Различные положения конца лопасти в процессе работы В. д. показаны на рис. 9 (1 — В. д. остановлен, 2 — В. д. начинает работать, 3 — В. д. работает и регулируется). Регулирование В. д. обеспечивает постоянство оборотов ветрового колеса, с неравномерностью 1,5-3%. В. д. при наличии такого регулирования может работать с постоянными оборотами даже при скорости ветра 40 м /_сек. Пуск и остановка В. д. осуществляются снизу ручной лебёдкой, к-рая натягивает трос, соединённый через муфты, рычаги и блок с тягами центробежных грузов, расположенных в крыле. Равномерность хода этого В. д. позволяет использовать его для привода машин, требующих большую равномерность хода. Вообще регулирование В. д. устанавливается в соответствии со среднегодовыми скоростями ветра в данной местности. Регулирующие пружины подбирают так, чтобы в р-нах со среднегодовой скоростью ветра 4 — 5 м /_сек В. д. начинали регулироваться при скорости ветра 8 м/сек; в р-нах со среднегодовой скоростью ветра 6 — 7 м /_сек — при скорости ветра 10 м /_сек; в р-нах со среднегодовой скоростью ветра 8 м /_сек и выше регулирование начинается при скорости ветра 14 м /_сек. Техническая характеристика современных В. д. и развиваемая ими мощность приводятся в табл. 1.

Табл. 1. Основные показатели современных отечественных ветродвигателей

Табл. 2. Часовая производительность ветряных двигателей отечественного производства при подъёме воды на разные высоты в зависимости от рабочей скорости ветра

Эксплоатационные показатели ветродвигателей ТВ-5 и ТВ-8, применяемых в с. х-ве для водоснабжения, приведены в табл. 2 и 3.

Табл. 3. Годовая производительность ветряных двигателей отечественного производства при подъёме воды в зависимости от среднегодовых скоростей ветра

( Примечание. Среднегодовая скорость ветра для данного р-на устанавливается по материалам наблюдения местной метеорологической станции.)

Данные этих табл. позволяют подобрать тот или иной тип ветродвигателя в зависимости от потребности х-ва в воде, а также в зависимости от среднегодовой скорости ветра и дебита источника воды.

Механизация различных процессов с.-х. работ (водоснабжение, осушение заболоченных мест, помол) требует огромного количества энергии. Эту энергию может дать сила ветра.

См. также Мельница, Электрификация сельского хозяйства.

Литература: Кармишин А., Ветродвигатель «ВД-8м», М., 11937; Красовский Н., Как использовать энергию ветра, М.-Л., 19 36; Перли С., Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты, Харьков, 1938; Рогожкин Н., Практическое руководство по эксплоатации и ремонту ветродвигателей ВД-5 и ВД-8. Под ред. А. В. Кармишина, Ростов н/Д, 1940; Сабинин Г., Теория и аэродинамический расчёт ветряных двигателей, М.-Л., 1931 (Центр, аэрогидродинамический ин-т, вып. 104); Фатеев Е., Ветродвигатели, 2 изд., М.-Л., 1946; его же, Ветродвигатели в сельском хозяйстве, М., 19 4 8, его же, Ветродвигатели и ветроустановки, М., 1948.

Сельскохозяйственная энциклопедия. Т. 1 (А — Е)/ Ред. коллегия: П. П. Лобанов (глав ред) [и др.]. Издание третье, переработанное — М., Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1949, с. 620

Ветровая электростанция: назначение и обслуживание

Смотрите также

Ветровая электростанция: назначение и устройство

Ветровая электростанция – это комплекс ветряных турбин, предназначенных для преобразования энергии движения ветряных масс в механическую работу генератора по выработке электрического тока.

Одна станция может включать в себя любое количество ветроэнергетических установок (ВЭУ). Самые крупные системы насчитывают сотни элементов.

Принцип работы каждой установки заключается в использовании кинетической энергии ветра для вращения подвижной части ветряка, соединенной с ротором генератора энергии. Находящийся внутри редуктор увеличивает скорость движения вала. Вследствие этой работы создается трехфазный переменный ток.

Для преобразования переменного тока в постоянный в конструкции предусмотрен контроллер. Постоянный ток заряжает аккумуляторные батареи, передающие ток на инвертор.

Читать еще: Где лучше сделать капремонт двигателя

В инверторе постоянный ток снова преобразуется в переменный, но уже пригодный для использования в электроприборах. Его напряжение становится 220 В, а частота – 50 Гц.

Обслуживание ветровых установок

Ветряные электроустановки имеют в своей конструкции множество подвижных элементов, которые преждевременно изнашиваются в условиях высокого коэффициента трения и сильных нагрузок. Например, это вращающиеся валы, подшипники, планетарные шестерни.

Их диаметр может достигать нескольких метров, а по мере совершенствования узлов и повышения производительности станций он становится еще больше.

Для увеличения надежности и срока службы таких высоконагруженных механизмов, постоянное обслуживание которых осуществлять достаточно затруднительно, применяют антифрикционное твердосмазочное покрытие MODENGY 1003, которое не нуждается в обновлении на протяжении всего срока функционирования ВЭУ.

Оно образует на поверхности деталей устойчивый сухой слой, который обеспечивает кардинальное снижение трения сопряженных элементов и увеличение их ресурса. Благодаря этому установки работают дольше, а риск их отказов практически сводится к нулю.

На корпусе ветряного генератора устанавливаются площадки, на которых работает персонал в случае возникновения поломок оборудования. Зачастую устанавливается и поле для посадки вертолетов, так как мачта турбин может составлять сотни метров в высоту, а удаленность от поселений – сотни километров.

Ремонт может понадобиться в случае повреждения тормоза, ударов молнии, обледенения лопастей и других непредвиденных ситуаций. К тому же необходимо проводить периодический профилактический осмотр оборудования.

Ветряной генератор: основные виды

Есть большое количество классификаций, по которым разделяются ветроэнергетические станции. Наиболее распространенными являются географическое положение и конструкция подвижной части установки.

По расположению выделяют наземные, горные, прибрежные и шельфовые электростанции. В этих местах скорость ветра достигает максимальных значений, что позволяет повышать мощность генераторов.

По виду подвижной части выделяют крыльчатые и роторные аппараты. Первые состоят из лопастей, от их количества зависит мощность установки: чем меньше элементов, тем производительнее работает станция. Они вращаются по горизонтальной оси.

Вторые установки вращаются по вертикальной оси, что позволяет им эффективно работать при низких скоростях ветра без высокого уровня шума.

Присоединяйтесь

О компании
Пресс-центр
Дилерская сеть
Мы и общество

Наши услуги
Отраслевые решения
Статьи

Molykote
MODENGY
DOWSIL
EFELE
PermabondMerbenit

Принцип работы двигателей ветряной электростанции

Необходимость экономить природные ресурсы вынуждает большинство государств заняться поиском альтернативных источников электроэнергии. Одним из таких источников является энергия ветра, при помощи которой можно производить электрическую энергию в объемах достаточных для удовлетворения нужд, как бытовых потребителей, так и промышленных предприятий. Основой конструкции для выработки электроэнергии из ветра является установленный на мачте генератор.

Устройство ветрогенератора

Конструкция ветряной электростанции включает в себя следующие элементы:

Генератор;
Мачта;
Лопасти;
Анемометр;
Аккумуляторные батареи;
Устройство АВР (автоматическое включение резерва);
Трансформатор.

Как работает ветряная электростанция?

Принцип работы ветряной электростанции основан преобразовании энергии ветра во вращательное движение турбины. Это происходит при помощи лопастей (ротора). Ветер следует контуру лопасти, приводя их во вращение.

Современные ветровые электрические станции имеют три лопасти. Их длина может достигать 56 метров. Скорость вращения в пределах 12-24 оборотов в минуту. Для увеличения скорости вращения используют редукторы. Мощность современных ветрогенераторов может достигать 750кВт.

Анемометр предназначен для измерения скорости ветра. Он монтируется на тыльной стороне корпуса турбины. Информация о скорости ветра анализируется встроенным компьютером для выработки наибольшего количества электроэнергии.

Конструкция ветроэлектростанции может работать при скорости ветра 4 метра в секунду. При достижении скорости ветра 25 метров в секунду ветровые электростанции принцип работы, которых основан на использовании энергии ветра автоматически выключаются. Бесконтрольное вращение лопастей при сильном ветре является одной из причин аварий и разрушения ветряка.

Трансформатор преобразовывает напряжение до величин необходимых для транспортировки электроэнергии к потребителю по проводам линии электропередачи. Обычно трансформаторы устанавливают у основания мачты

Мачта является важным элементом конструкции ветряной электростанции. От ее высоты зависит выработка генератора. Высота мачты современных ветряков колеблется в пределах 70-120 метров. Некоторые конструкции предусматривают наличие вертолетных площадок.

Установка ветрогенераторов

Одним из необходимых условий для полноценной работы устройства является выбор подходящего места для его размещения. В идеале это должна быть возвышенность с высокой скоростью ветра при низкой турбулентности.

Если неподалеку находится лес, то это будет способствовать снижению эффективности работы ветрогенератора. Отсутствие поблизости ВЛЭП не даст возможности перенаправлять вырабатываемую электроэнергию к потребителям.

Проблемы, вызываемые эксплуатацией ветряных электростанций

Несмотря на то, что ветрогенераторы являются перспективным способом выработки электроэнергии, существует множество проблем, связанных с их эксплуатацией. В частности, в странах Европы, где активно внедряется ветроэнергетика многие люди жалуются на дискомфорт, вызываемый близким соседством с ветряками.

В большинстве стран отсутствуют законы, которые бы четко определяли на каком расстоянии от жилых домов их можно размещать. Иногда ветрогенератор можно увидеть уже на расстоянии 200-250 метров от дома. Люди жалуются на сильный шум, который разносится на сотни метров вокруг. Тень от вращающихся лопастей ветряка может отбрасываться на несколько километров. Это вызывает сильный психологический дискомфорт.

Проблемы вызваны тем, что полномасштабное использование энергии ветра началось относительно недавно. Мощные ветрогенераторы ранее не использовались. Поэтому в полной мере их воздействие на человека изучено не было. В настоящее время разрабатываются законы, призванные минимизировать дискомфорт от эксплуатации этих механизмов.

Читать еще: Давление масла в камазовском двигателе

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Обзор вертикальных ветрогенераторов

Мы являемся свидетелями развития науки и техники, возникновения сверхэффективных технологий и в то же время в области энергетики мы можем наблюдать парадоксальную тенденцию возвращения к древнейшей технологии использования ветряной энергии. Её использовали в Китае и на Среднем Востоке более 10 веков назад.

Этому парадоксу есть объяснение. В начале 21 века общество остро столкнулось с проблемой ограниченности ископаемых энергоресурсов. Сегодня происходит замена технических инструментов традиционной энергетики, губительно влияющей на окружающую среду, на возобновляемые экологически чистые источники энергии, в том числе ветровые.

Несмотря на то, что ветка первенства сегодня принадлежит горизонтальным ветрогенераторам, популярность вертикальных ветрогенераторов стремительно растёт. Это объясняется, в том числе тем, что учёные теоретически и экспериментально доказали, что вертикальные ВЭУ в состоянии догнать по эффективности горизонтальные.

Ретроспектива вертикальных ВЭУ

Вертикальные ветряки человечество использует уже очень давно. Первые документальные упоминания о вертикальных ВЭУ датированы приблизительно 500-900 годами до нашей эры. В документах описан персидский механизм. Его применяли для добычи подъема воды и помола зерна. Со временем такой ветряк получи название «panemone», т.е. вращается при любом направлении ветра.

Первый ветряной двигатель с вертикальной осью вращения

Вертикальные ветряки использовались и в Китае. Его, кстати, часто упоминают, как родину вертикальных ветряков. Бытует мнение, что ветряную мельницу изобрели именно в Китае более 2000 лет назад. Но самое раннее упоминание о ней датированы 1219 годом нашей эры. Это была ветряная установка с карусельным ротором. В нём использовался принцип давления ветра, с плоскими парусными лопастями. При движении в направление ветра они разворачивались перпендикулярно потоку воздушной массы, а при движении навстречу ветру – параллельно ему.

В 9 веке н.э. в Персии в городе Нех функционировало 75 ветряных мельниц.Они были построены на возвышенности, расположенной перпендикулярно к направлению преобладающего северного ветра, действующего в этой местности в течение 4 месяцев в году со скоростью 28-47 м/с. Ветряной двигатель персидских мельниц представлял собой вертикально-осевой карусельный ротор с 8 плоскими лопастями из тростника высотой 5,5 м и диаметром 4,3 м. При скорости ветра 30 м/с его мощность составляла около 16 кВт.

Персидская ветряная мельница с вертикально-осевым карусельным ротором

Чтобы повысить эффективность перед лопастями, движущимися навстречу ветру, был установлен экран. Он снижал тормозящий момент ротора, закрывая лопасти от ветра. 50 таких ветряных мельниц были в рабочем состоянии в 1963 году и, вероятно, эксплуатируются и сегодня. Стоит отметить, что схема изобретенного более 1000 лет назад вертикально-осевого карусельного ротора с плоскими и чашечными лопастями и сегодня применяется практически без изменений.

Вертикально-осевая ветроэлектрическая установка Д. Блиса с карусельным ротором

В наше время успешно используются ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, получившие патент на конструкцию начиная с 3-го десятилетия ХХ века

а) Ротор Савинуса. Изобретён в 1922 году финским инженером Сигурдом Йоханнесом Савониусом.
б) Ротор Даррье. Изобретён французским авиаконструктором Жоржем Даррье в 1931 году.
в) Ротор Масгрова. Изобретён английским доктором Масгров из Ридингского университета в 1975 году.
г) Ротор «Виндсайт». Изобретён финном Йутсиниеми в 1979 году.
д) Геликоидная турбина Горлова. Изобретена профессором Северо-Восточного Университета Бостона (США) Александром Горловым в 2001 году. Турбину с небольшими отличиями повторяют турбины ветряных электроустановок “Tvister”, “Turby”, “Quitrevolution” и др.

Принцип работы

В современных ветряных электроустановках энергия преобразуется в 2 этапа:
1. Кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую.
2. Механическая энергия преобразуется в электрическую.

Чтобы энергия ветра превращалась в механическую используют аэромеханические устройства или ветродвигатели. За границей их называют ветряными турбинами. Ветряной двигатель берёт у движущегося с определённой скоростью воздушного потока часть его кинетической энергии. Величина кинетической энергии зависит от принципа работы установки, габаритов движущейся части и режима работы.

Есть 2 основных способа отбора мощности ветра. На них базируется работа современных ветряных двигателей.
Первый способ использует феномен подъемной силы крыла, которое имеет соответствующий аэродинамический профиль и находящегося в движущем потоке воздуха. Проще говоря – это ветродвигатели подъёмной силы.
Второй способ базируется на дифференциальном (неодинаковом) лобовом сопротивлении твердого тела асимметричной формы, при его различной ориентации относительно направления ветра. Это ветродвигатели дифференциального лобового сопротивления.
Есть конструкции, сочетающие оба способа в разном процентном соотношении.

Чтобы проводить сравнительную оценку технических решений, в ветровой энергетике выработаны критерии, которые характеризуют энергоэффективность конструкции и режим работы:
1. Коэффициент использования ветряной энергии – отношение механической мощности, которую развивают ветряные двигатели, к механической мощности воздушного потока, протекающиго через пространство, ометаемое рабочими поверхностями ветродвигателя. В зарубежной ветряной энергетике данный коэффициент обозначают Cp (СиПи фактор). Теоретики доказали, что для идеального ветряного двигателя, в котором не учитываются потери, величина СиПи фактора не может превышать 0,593. Это число называли лимитом Бетца. По определению является безразмерной.
2. Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости самой удалённой оси вращения ветряного двигателя точки крыла (определяется радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра, принято обозначать символом U. Быстроходность по определению величина безразмерная. Считается, что ветряной двигатель тихоходный, если U