Historycznie pierwszą jednostką stacjonarną wykorzystującą energię wiatru była wiatrak, który był ręcznie prowadzony przez wiatr. Jego głównym korpusem roboczym było wielołopatowe koło z poziomą osią obrotu, montowane zgodnie z kierunkiem wiatru. Takie turbiny wiatrowe były szeroko stosowane w średniowieczu, a później do mielenia ziarna, podnoszenia i pompowania wody, a także do napędzania niektórych gałęzi przemysłu. Duże, fabryczne wiatraki przy dużych prędkościach wiatru mogły rozwijać moc do 60 kW. W XIX wieku liczba wiatraków w Rosji przekroczyła 200 tysięcy, ich łączna moc wynosiła około 1,3 miliona kW, a w 1930 roku w ZSRR było ich ponad 800 tysięcy.
Koła wiatrowe wirnikowych turbin wiatrowych: 1 - wielołopatowe, 2 - trójłopatowe, 3 - dwułopatowe, 4 - jednołopatowe z przeciwwagą
Obecnie znany wiele różnych typów wiatraków - turbin wiatrowych(). Turbiny wiatrowe ze skrzydlatymi kołami wiatrowymi i poziomą osią obrotu są szeroko stosowane. Wśród nich największy rozwój otrzymały dwu- i trzyłopatowe turbiny wiatrowe. Moment obrotowy koła wiatrowego jest wytwarzany przez siłę podnoszenia generowaną, gdy strumień powietrza opływa profil łopat. W efekcie energia kinetyczna przepływu powietrza w obszarze omiatanym przez łopaty zamieniana jest na energię mechaniczną obrotu koła wiatrowego.
wiatraki
wiatraki
Moc wytworzona na osi wiatraka jest proporcjonalna do kwadratu jego średnicy i sześcianu prędkości wiatru. Zgodnie z klasyczną teorią N.E. Żukowskiego dla idealnego koła wiatrowego współczynnik wykorzystania energii wiatru £ = 0,593. Oznacza to, że idealny (z nieskończoną liczbą ostrzy) może wydobyć 59,3% energii przechodzącej przez jego przekrój. W rzeczywistości w praktyce dla najlepszych kół szybkobieżnych maksymalna wartość współczynnika wykorzystania energii wiatru dochodzi do 0,45-0,48, a dla kół wolnobieżnych do 0,36-0,38.
Ważną cechą wiatraka jest jego prędkość Z, która jest stosunkiem prędkości końca łopaty do prędkości przepływu wiatru. Koniec łopaty zwykle porusza się w płaszczyźnie wiatraka z prędkością kilkukrotnie większą niż prędkość wiatru. Optymalne wartości prędkości dla koła dwułopatowego to 5-7, dla trzyłopatowego 4-5, dla sześciołopatowego 2,5-3,5. wiatraki
Spośród cech konstrukcyjnych na moc wiatraka wpływa głównie jego średnica, a także kształt i profil łopat. Moc w niewielkim stopniu zależy od liczby ostrzy. Częstotliwość obrotu wiatraka jest proporcjonalna do prędkości i prędkości wiatru i odwrotnie proporcjonalna do średnicy. Wysokość środka koła również wpływa na ilość mocy, ponieważ prędkość wiatru zależy od wysokości.
Jak już wspomniano, moc jest proporcjonalna do prędkości wiatru do trzeciej potęgi. Przy projektowej prędkości wiatru i większej zapewniona jest praca turbiny wiatrowej z mocą znamionową. Przy prędkości wiatru poniżej mocy projektowej turbiny wiatrowej może wynosić 20–30% wartości nominalnej lub mniej.
W takich warunkach pracy w generatorach występują duże straty energii ze względu na ich niską sprawność. przy niskich obciążeniach oraz w generatorach asynchronicznych dodatkowo występują duże prądy bierne, które należy skompensować. Aby wyeliminować tę wadę, niektóre turbiny wiatrowe wykorzystują 2 generatory o mocy znamionowej 100 i 20-30% mocy znamionowej turbiny wiatrowej. Przy słabym wietrze pierwszy generator jest wyłączony. W niektórych turbinach wiatrowych mały generator umożliwia również pracę elektrowni przy niskich prędkościach wiatru przy niskich prędkościach z wysokim współczynnikiem wykorzystania energii wiatru. wiatraki
Montaż koła wiatrowego na wietrze, tj. prostopadle do kierunku wiatru, wytwarzana jest w jednostkach o bardzo małej mocy za pomocą ogona (ogonka), w jednostkach małej i średniej mocy - za pomocą mechanizmu róży wiatrowej, a w nowoczesnych dużych instalacjach - za pomocą specjalnego system orientacji, który odbiera impuls sterujący z czujnika kierunku wiatru (wejścia pogodowego) zainstalowanego w górnej części gondoli turbiny wiatrowej. Mechanizm róży wiatrowej to jedno lub dwa małe koła wiatrowe, których płaszczyzna obrotu jest prostopadła do płaszczyzny obrotu koła głównego, pracując w celu napędzania ślimaka, który obraca platformę głowicy turbiny wiatrowej, aż róże wiatru leżą w płaszczyźnie równoległej do kierunku wiatru.
Skrzydlaty z poziomą osią obrotu może znajdować się przed wieżą i za nią. W tym ostatnim przypadku łopata poddawana jest ciągłemu, powtarzającemu się działaniu zmiennych sił podczas przechodzenia przez cień wieży, co jednocześnie znacznie zwiększa poziom hałasu. Do sterowania mocą i ograniczania prędkości obrotowej koła wiatrowego stosuje się szereg metod, w tym obrót łopat lub ich części wokół ich osi podłużnej, a także klapy, zawory na łopatach i inne metody. wiatraki
Głównymi zaletami turbin wiatrowych z poziomą osią obrotu wiatraka jest to, że warunki przepływu powietrza wokół łopat są stałe, nie zmieniają się podczas obracania się wiatraka, a są determinowane jedynie przez prędkość wiatru. W związku z tym, jak również z dość wysoką wartością współczynnika wykorzystania energii wiatru, turbiny wiatrowe typu łopatkowego są obecnie najszerzej stosowane.
Wirnik Savonius: a) dwułopatowy, b) czterołopatowyInnym typem turbiny wiatrowej jest wirnik Savonius.
Moment obrotowy występuje, gdy wirnik Savonius opływa wirnik ze względu na różny opór części wypukłej i wklęsłej. Wirnik Savonius. Koło jest proste, ale ma bardzo niski współczynnik wykorzystania energii wiatru - tylko 0,1 - 0,15. wiatraki
Elektrownie wiatrowe () z pionowym wirnikiem: a - w kształcie litery F, b - w kształcie litery L, c - z prostymi łopatami. 1 - wieża (wał), 2 - wirnik, 3 - przedłużenia, 4 - podpora, 5 - przenoszenie momentu obrotowego
W ostatnich latach w wielu obcych krajach, zwłaszcza w Kanadzie, zaczęto opracowywać turbinę wiatrową z wirnikiem Darrieusa, zaproponowaną we Francji w 1920 roku. Ten wirnik Darrieusa ma pionową oś obrotu i składa się z dwóch do czterech zakrzywionych łopat .
Łopaty tworzą przestrzenną strukturę, która obraca się pod działaniem sił nośnych powstających na łopatach od przepływu wiatru. W wirniku Darrieusa współczynnik wykorzystania energii wiatru osiąga wartości 0,30 – 0,35. Ostatnio opracowano silnik obrotowy Darrieus z prostymi łopatami.
Wiatraki z pionowym typem
Główną zaletą turbin wiatrowych Darrieus (wirników) jest to, że nie potrzebują mechanizmu ukierunkowania na wiatr. Posiadają generator i inne mechanizmy umieszczone na niewielkiej wysokości w pobliżu podstawy. Wszystko to znacznie upraszcza projekt. Jednak poważną wadą organiczną tych turbin wiatrowych jest znacząca zmiana warunków opływu skrzydła podczas jednego obrotu wirnika Darrieusa, który jest cyklicznie powtarzany podczas pracy.
Może to powodować zjawiska zmęczeniowe i prowadzić do zniszczenia elementów wirnika Darrieusa i poważnych wypadków, co należy uwzględnić przy projektowaniu wirnika Darrieusa (szczególnie przy turbinach wiatrowych dużej mocy). Ponadto, aby rozpocząć, należy je odkręcić.
Zależności współczynnika wykorzystania energii wiatru £, od prędkości Z dla różnych wiatraki pokazano na rysunku.
Typowe zależności współczynnika wykorzystania energii wiatru £ od prędkości wiatraka Z: 1 - idealne skrzydło wiatrowe; 2,3 i 4 - dwu-, trzy- i wielołopatowe turbiny wiatrowe; 5 - Wirnik Dariera; 6 - wirnik Savoniusa; 7 – czterołopatowe koło wiatrowe duńskiego młyna
Widać, że koła dwu- i trzyłopatkowe o poziomej osi obrotu mają największą wartość ξ. Dla nich wysokie £ jest zachowane w szerokim zakresie prędkości Z. Ta ostatnia jest niezbędna, ponieważ turbiny wiatrowe muszą działać przy prędkościach wiatru, które wahają się w szerokich granicach. Dlatego instalacje tego typu otrzymały największą dystrybucję w ostatnich latach.
Większość typów turbin wiatrowych jest znana od tak dawna, że historia milczy o nazwiskach ich wynalazców.
Rodzaje turbin wiatrowych:
Na rysunku pokazano główne typy turbin wiatrowych. Są podzielone na dwie grupy:
turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu (typu łopatkowego) (2...5);
turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu (karuzela: łopatkowa (1) i ortogonalna (6)).
Typy wiatraków łopatkowych różnią się tylko liczbą łopat.
skrzydlaty
W łopatkowych turbinach wiatrowych, których największą sprawność osiąga się, gdy przepływ powietrza jest prostopadły do płaszczyzny obrotu łopaty-skrzydła, wymagane jest urządzenie do automatycznego obracania osi obrotu.
W tym celu stosuje się skrzydło stabilizujące.
Turbiny wiatrowe karuzelowe mają tę zaletę, że mogą pracować w dowolnym kierunku wiatru bez zmiany pozycji.
Współczynnik wykorzystania energii wiatru (patrz rys.) wiatraków łopatkowych jest znacznie wyższy niż karuzeli.
Jednocześnie karuzele mają znacznie większy moment obrotowy.
Jest to maksimum dla jednostek z łopatami karuzelowymi, przy zerowej względnej prędkości wiatru.
Rozprzestrzenianie się skrzydlatych turbin wiatrowych tłumaczy się wielkością ich prędkości obrotowej.
Mogą być bezpośrednio podłączone do generatora prąd elektryczny bez mnożnika.
Prędkość obrotowa łopatkowych turbin wiatrowych jest odwrotnie proporcjonalna do liczby skrzydeł, dlatego praktycznie nie stosuje się jednostek z więcej niż trzema łopatami.
karuzela
Różnica w aerodynamice daje karuzeli przewagę nad tradycyjnymi turbinami wiatrowymi.
Wraz ze wzrostem prędkości wiatru szybko zwiększają siłę uciągu, po czym prędkość obrotowa stabilizuje się.
Turbiny wiatrowe karuzelowe są wolnoobrotowe, co pozwala na zastosowanie prostych obwody elektryczne np. z generatorem asynchronicznym, bez ryzyka wypadku, z przypadkowym podmuchem wiatru.
Powolność stawia jedno ograniczenie – zastosowanie wielobiegunowego generatora pracującego przy niskich prędkościach.
Takie generatory nie są powszechnie stosowane, a stosowanie mnożników (mnożnik [łac. mnożnik – mnożnik] – skrzynia podwyższająca) nie jest efektywne, ze względu na niską sprawność tych ostatnich.
Jeszcze ważniejszą zaletą konstrukcji karuzeli była możliwość, bez dodatkowych sztuczek, śledzenia „skąd wieje wiatr”, co jest bardzo ważne dla przepływów czyszczenia powierzchni.
Turbiny wiatrowe tego typu budowane są w USA, Japonii, Anglii, Niemczech, Kanadzie.
Najłatwiejsza w obsłudze jest turbina wiatrowa z łopatami karuzelowymi. Jego konstrukcja zapewnia maksymalny moment obrotowy przy rozruchu turbiny wiatrowej oraz automatyczną samoregulację maksymalnej prędkości obrotowej podczas pracy.
Wraz ze wzrostem obciążenia prędkość obrotowa maleje, a moment obrotowy wzrasta aż do całkowitego zatrzymania.
Prostokątny
Ortogonalne turbiny wiatrowe, jak uważają eksperci, są obiecujące dla energii na dużą skalę.
Dziś miłośnicy wiatru o ortogonalnych konstrukcjach napotykają pewne trudności. Wśród nich w szczególności problem z uruchomieniem.
W instalacjach ortogonalnych stosuje się ten sam profil skrzydła, co w samolotach poddźwiękowych (patrz rys. 6).
Samolot, zanim „oprze się” na sile nośnej skrzydła, musi podbiec do góry. To samo dotyczy układu ortogonalnego.
Najpierw trzeba doprowadzić do niego energię - rozkręcić go i doprowadzić do określonych parametrów aerodynamicznych, a dopiero potem sam przełączy się z trybu pracy silnika na tryb generatora.
Przystawka odbioru mocy uruchamia się przy prędkości wiatru ok. 5 m/s, a moc znamionową osiąga przy prędkości 14...16 m/s.
Wstępne obliczenia turbin wiatrowych przewidują ich zastosowanie w zakresie od 50 do 20 000 kW.
W realistycznej instalacji o mocy 2000 kW średnica pierścienia, po którym poruszają się skrzydła, wyniesie około 80 metrów.
Potężna turbina wiatrowa ma duże wymiary. Jednak możesz sobie poradzić z małymi - weź liczbę, a nie rozmiar.
Zasilając każdy generator elektryczny osobnym przekształtnikiem, można zsumować moc wyjściową generowaną przez generatory.
W tym przypadku wzrasta niezawodność i żywotność turbiny wiatrowej.
MOC WIATRU
urządzenie, które zamienia energię wiatru na energię rotacyjną. Głównym korpusem roboczym turbiny wiatrowej jest zespół obrotowy - koło napędzane wiatrem i sztywno połączone z wałem, którego obrót napędza sprzęt wykonujący użyteczną pracę. Wał jest montowany poziomo lub pionowo. Turbiny wiatrowe są zwykle wykorzystywane do wytwarzania energii zużywanej okresowo: podczas pompowania wody do zbiorników, mielenia ziarna, w sieciach energetycznych tymczasowych, awaryjnych i lokalnych.
Odniesienie do historii. Choć wiatry powierzchniowe nie zawsze wieją, zmieniają kierunek, a ich siła nie jest stała, turbina wiatrowa jest jedną z najstarszych maszyn do pozyskiwania energii ze źródeł naturalnych. Ze względu na wątpliwą wiarygodność starożytnych pisemnych raportów o turbinach wiatrowych nie jest do końca jasne, kiedy i gdzie takie maszyny pojawiły się po raz pierwszy. Ale sądząc po niektórych zapisach, istniały już przed VII wiekiem. OGŁOSZENIE Wiadomo, że w Persji używano ich w X wieku, a w Zachodnia Europa Pierwsze urządzenia tego typu pojawiły się pod koniec XII wieku. W XVI wieku ostatecznie ukształtował się typ namiotu holenderskiego wiatraka. Szczególnych zmian w ich konstrukcji nie zaobserwowano aż do początku XX wieku, kiedy w wyniku badań znacznie poprawiono kształty i powłoki skrzydeł młynów. Ponieważ maszyny wolnoobrotowe są nieporęczne, w drugiej połowie XX wieku. zaczął budować szybkie turbiny wiatrowe, tj. tych, których koła wiatrowe mogą wykonywać dużą liczbę obrotów na minutę przy wysokim współczynniku wykorzystania energii wiatru.
Nowoczesne typy turbin wiatrowych. Obecnie stosowane są trzy główne typy turbin wiatrowych - bębnowe, łopatkowe (typ śrubowy) i obrotowe (z profilem odrzutnika w kształcie litery S).
Bęben i skrzydlaty. Chociaż koło wiatrowe typu bębnowego ma najniższy stopień wykorzystania energii wiatru w porównaniu z innymi nowoczesnymi odrzutnikami, jest ono najczęściej stosowane. W wielu gospodarstwach służy do pompowania wody, jeśli z jakiegoś powodu nie ma prądu w sieci. Typowy kształt takiego koła z ostrzami blaszanymi pokazano na ryc. 1. Koła wiatrowe bębnowe i łopatkowe obracają się na poziomym wale, więc muszą być skierowane na wiatr, aby uzyskać najlepszą wydajność. Aby to zrobić, otrzymują ster - łopatę umieszczoną w płaszczyźnie pionowej, która zapewnia obrót koła wiatrowego do wiatru. Średnica koła największej na świecie turbiny wiatrowej typu łopatkowego wynosi 53 m, maksymalna szerokość jego łopat to 4,9 m. Koło wiatrowe jest bezpośrednio połączone z generatorem elektrycznym o mocy 1000 kW, który rozwija się przy prędkości wiatru co najmniej 48 km/h. Jego łopaty są ustawione w taki sposób, aby prędkość obrotowa koła wiatrowego była stała i równa 30 obr/min w zakresie prędkości wiatru od 24 do 112 km/h. Ze względu na to, że wiatry wieją dość często w rejonie, w którym znajdują się takie elektrownie wiatrowe, turbina wiatrowa zwykle wytwarza WIATR 50% mocy maksymalnej i zasila publiczną sieć energetyczną. Łopatkowe turbiny wiatrowe są szeroko stosowane na odległych obszarach wiejskich do dostarczania energii elektrycznej do farm, w tym do ładowania baterii systemów komunikacji radiowej. Stosowane są również w elektrowniach pokładowych samolotów i pocisków kierowanych.
Wirnik w kształcie litery S. Wirnik w kształcie litery S zamontowany na pionowym wale (rys. 2) jest dobry, ponieważ turbina wiatrowa z takim odrzutnikiem nie musi być przenoszona na wiatr. Chociaż moment obrotowy na jego wale zmienia się od minimum do jednej trzeciej swojej wartości maksymalnej w ciągu pół obrotu, nie jest on zależny od kierunku wiatru. Gdy gładki okrągły cylinder obraca się pod wpływem wiatru, na korpus cylindra działa siła prostopadła do kierunku wiatru. Zjawisko to nazywa się efektem Magnusa, od nazwiska niemieckiego fizyka, który je badał (1852). W latach 1920-1930 A. Flettner stosował obrotowe cylindry (wirniki Flettnera) i wirniki w kształcie litery S zamiast łopatkowych kół wiatrowych, a także jako śmigła do statku, który przeszedł z Europy do Ameryki iz powrotem.
Współczynnik wykorzystania energii wiatru. Moc pobierana z wiatru jest zwykle niewielka – niecałe 4 kW wytwarza przestarzały wiatrak holenderski przy prędkości wiatru 32 km/h. Możliwa do wykorzystania moc strumienia wiatru powstaje z energii kinetycznej mas powietrza poruszających się w jednostce czasu prostopadle do powierzchni o danej wielkości. W turbinie wiatrowej obszar ten jest określony przez nawietrzną powierzchnię odrzutnika. Biorąc pod uwagę wysokość nad poziomem morza, ciśnienie powietrza na nim i jego temperaturę, dostępna moc N (w kW) na jednostkę powierzchni jest określona równaniem N = 0,0000446 V3 (m/s). Współczynnik wykorzystania energii wiatru jest zwykle definiowany jako stosunek mocy wytwarzanej na wale turbiny wiatrowej do dostępnej mocy strumienia wiatru działającego na nawietrzną powierzchnię koła wiatrowego. Współczynnik ten staje się maksymalny przy pewnym stosunku prędkości zewnętrznej krawędzi łopaty koła wiatrowego w i prędkości wiatru u; wartość tego stosunku w/u zależy od typu turbiny wiatrowej. Współczynnik wykorzystania energii wiatru zależy od rodzaju koła wiatrowego i waha się od 5-10% (młyn holenderski z płaskimi skrzydłami, w/u = 2,5) do 35-40% (profilowany odrzutnik łopatkowy, 5 Ј w/u Ј 10 ).
LITERATURA
Moc wiatru. M., 1982 Yaras L. i inni Energia wiatru. M., 1982
Encyklopedia Colliera. - Społeczeństwo Otwarte. 2000 .
Synonimy:Zobacz, co „SILNIK WIATROWY” znajduje się w innych słownikach:
Turbina wiatrowa … Słownik pisowni
Silnik, silnik wiatrowy, turbina wiatrowa, turbina wiatrowa Słownik rosyjskich synonimów. turbina wiatrowa n., liczba synonimów: 4 wiatrak (8) ... Słownik synonimów
Wykorzystuje energię wiatru do generowania energii mechanicznej. Szeroko rozpowszechnione są wiatraki łopatkowe, w których oś obrotu koła wiatrowego pokrywa się z kierunkiem przepływu powietrza... Wielki słownik encyklopedyczny
turbina wiatrowa- VD Urządzenie do zamiany energii wiatru na energię mechaniczną obrotu turbiny wiatrowej. [GOST R 51237 98] Tematy energia wiatrowa Synonimy Silnik wiatrowy VD EN ... Podręcznik tłumacza technicznego
turbina wiatrowa- turbina wiatrowa... Słownik skrótów i skrótów
MOC WIATRU- (turbina wiatrowa) silnik wykorzystujący energię kinetyczną wiatru do generowania energii mechanicznej. Prymitywny widok wiatraka V.. Są turbiny wiatrowe: skrzydłowe, karuzelowe lub obrotowe i bębnowe... Wielka Encyklopedia Politechniczna
Silnik wykorzystujący energię kinetyczną wiatru do generowania energii mechanicznej. Jako działający korpus wiatru, który odbiera energię (ciśnienie) przepływu wiatru i przekształca ją w energię mechaniczną obrotu wału, wykorzystują ... ... Wielka radziecka encyklopedia
Maszyna, która zamienia energię kinetyczną wiatru na energię mechaniczną. Korpusem roboczym turbiny wiatrowej jest koło wiatrowe, które odbiera ciśnienie przepływu powietrza i przekształca je w energię mechaniczną obrotu wału. Wyróżnić… … Encyklopedia technologii
I; m. Silnik napędzany siłą wiatru. * * * Turbina wiatrowa wykorzystuje energię wiatru do wytwarzania energii mechanicznej. Szeroko rozpowszechnione są głównie łopatkowe turbiny wiatrowe, w których oś obrotu koła wiatrowego pokrywa się z ... ... słownik encyklopedyczny
Silnik wykorzystujący kinetykę energia wiatru do generowania mechanicznego energia. Rozróżnij V. vaned (patrz rys.), z reguły z poziomą osią obrotu, ze współczynnikiem. zużycie energii wiatrowej do 0,48 (najczęściej); karuzela, ... ... Duży encyklopedyczny słownik politechniczny
Treść artykułu
turbina wiatrowa, urządzenie, które zamienia energię wiatru na energię rotacyjną. Głównym korpusem roboczym turbiny wiatrowej jest zespół obrotowy, koło napędzane wiatrem i sztywno połączone z wałem, którego obrót napędza sprzęt wykonujący użyteczną pracę. Wał jest montowany poziomo lub pionowo. Turbiny wiatrowe są zwykle wykorzystywane do wytwarzania energii zużywanej okresowo: podczas pompowania wody do zbiorników, mielenia ziarna, w sieciach energetycznych tymczasowych, awaryjnych i lokalnych.
Odniesienie do historii.
Choć wiatry powierzchniowe nie zawsze wieją, zmieniają kierunek, a ich siła nie jest stała, turbina wiatrowa jest jedną z najstarszych maszyn do pozyskiwania energii ze źródeł naturalnych. Ze względu na wątpliwą wiarygodność starożytnych pisemnych raportów o turbinach wiatrowych nie jest do końca jasne, kiedy i gdzie takie maszyny pojawiły się po raz pierwszy. Ale sądząc po niektórych zapisach, istniały już przed VII wiekiem. OGŁOSZENIE Wiadomo, że były używane w Persji w X wieku, a w Europie Zachodniej pierwsze tego typu urządzenia pojawiły się pod koniec XII wieku. W XVI wieku ostatecznie ukształtował się typ namiotu holenderskiego wiatraka. Szczególnych zmian w ich konstrukcji nie zaobserwowano aż do początku XX wieku, kiedy w wyniku badań znacznie poprawiono kształty i powłoki skrzydeł młynów. Ponieważ maszyny wolnoobrotowe są nieporęczne, w drugiej połowie XX wieku. zaczął budować szybkie turbiny wiatrowe, tj. tych, których koła wiatrowe mogą wykonywać dużą liczbę obrotów na minutę przy wysokim współczynniku wykorzystania energii wiatru.
Nowoczesne typy turbin wiatrowych.
Obecnie stosuje się trzy główne typy turbin wiatrowych: bębnowe, łopatkowe (typu śrubowego) i obrotowe (z profilem odrzutnika w kształcie litery S).
Bęben i skrzydlaty.
Chociaż koło wiatrowe typu bębnowego ma najniższy stopień wykorzystania energii wiatru w porównaniu z innymi nowoczesnymi odrzutnikami, jest ono najczęściej stosowane. Na wielu farmach z tym pompować wodę, jeśli z jakiegokolwiek powodu nie ma prądu. Typowy kształt takiego koła z ostrzami blaszanymi pokazano na ryc. 1. Koła wiatrowe bębnowe i łopatkowe obracają się na poziomym wale, więc muszą być skierowane na wiatr, aby uzyskać najlepszą wydajność. Aby to zrobić, otrzymują ster - łopatę umieszczoną w płaszczyźnie pionowej, która zapewnia obrót koła wiatrowego do wiatru. Średnica koła największej na świecie turbiny wiatrowej typu łopatkowego wynosi 53 m, maksymalna szerokość jego łopat to 4,9 m. Koło wiatrowe jest bezpośrednio połączone z generatorem elektrycznym o mocy 1000 kW, który rozwija się przy prędkości wiatru co najmniej 48 km/h. Jego łopaty są ustawione w taki sposób, aby prędkość obrotowa koła wiatrowego była stała i równa 30 obr/min w zakresie prędkości wiatru od 24 do 112 km/h. Ze względu na to, że wiatry wieją dosyć często w rejonie, w którym znajdują się takie wiatraki, turbina wiatrowa zazwyczaj wytwarza ~50% mocy maksymalnej i zasila publiczną sieć energetyczną. Łopatkowe turbiny wiatrowe są szeroko stosowane na odległych obszarach wiejskich do dostarczania energii elektrycznej do farm, w tym do ładowania baterii systemów komunikacji radiowej. Stosowane są również w elektrowniach pokładowych samolotów i pocisków kierowanych.
Wirnik w kształcie litery S.
Wirnik w kształcie litery S zamontowany na pionowym wale (rys. 2) jest dobry, ponieważ turbina wiatrowa z takim odrzutnikiem nie musi być przenoszona na wiatr. Chociaż moment obrotowy na jego wale zmienia się od minimum do jednej trzeciej swojej wartości maksymalnej w ciągu pół obrotu, nie jest on zależny od kierunku wiatru. Gdy gładki okrągły cylinder obraca się pod wpływem wiatru, na korpus cylindra działa siła prostopadła do kierunku wiatru. Zjawisko to nazywa się efektem Magnusa, od nazwiska niemieckiego fizyka, który je badał (1852). W 19201930 A. Flettner zastosował obrotowe cylindry (wirniki Flettnera) i wirniki w kształcie litery S zamiast łopatkowych kół wiatrowych, a także jako śmigła do statku, który przeszedł z Europy do Ameryki i z powrotem.
Współczynnik wykorzystania energii wiatru.
Moc pobierana z wiatru jest zwykle niewielka – poniżej 4 kW rozwija przestarzały typ holenderskiego wiatraka o prędkości wiatru 32 km/h. Możliwa do wykorzystania moc strumienia wiatru powstaje z energii kinetycznej mas powietrza poruszających się w jednostce czasu prostopadle do powierzchni o danej wielkości. W turbinie wiatrowej obszar ten jest określony przez nawietrzną powierzchnię odrzutnika. Biorąc pod uwagę wysokość nad poziomem morza, ciśnienie powietrza i jego temperaturę, dostępną moc N(w kW) na jednostkę powierzchni podaje równanie
N\u003d 0,0000446 V 3 (m / s).
Współczynnik wykorzystania energii wiatru jest zwykle definiowany jako stosunek mocy wytwarzanej na wale turbiny wiatrowej do dostępnej mocy strumienia wiatru działającego na nawietrzną powierzchnię koła wiatrowego. Współczynnik ten staje się maksymalny przy pewnym stosunku prędkości zewnętrznej krawędzi łopaty turbiny wiatrowej w i prędkość wiatru ty; znaczenie tego stosunku w/ty zależy od rodzaju turbiny wiatrowej. Współczynnik wykorzystania energii wiatru zależy od rodzaju koła wiatrowego i wynosi od 510% (holenderski młyn z płaskimi skrzydłami, w/ty= 2,5) do 3540% (profilowany odrzutnik łopatkowy, 5 J w/ty 10 funtów).
urządzenie, które zamienia energię wiatru na energię rotacyjną. Głównym korpusem roboczym turbiny wiatrowej jest zespół obrotowy - koło napędzane wiatrem i sztywno połączone z wałem, którego obrót napędza sprzęt wykonujący użyteczną pracę. Wał jest montowany poziomo lub pionowo. Turbiny wiatrowe są zwykle wykorzystywane do wytwarzania energii zużywanej okresowo: podczas pompowania wody do zbiorników, mielenia ziarna, w sieciach energetycznych tymczasowych, awaryjnych i lokalnych.
Odniesienie do historii. Choć wiatry powierzchniowe nie zawsze wieją, zmieniają kierunek, a ich siła nie jest stała, turbina wiatrowa jest jedną z najstarszych maszyn do pozyskiwania energii ze źródeł naturalnych. Ze względu na wątpliwą wiarygodność starożytnych pisemnych raportów o turbinach wiatrowych nie jest do końca jasne, kiedy i gdzie takie maszyny pojawiły się po raz pierwszy. Ale sądząc po niektórych zapisach, istniały już przed VII wiekiem. OGŁOSZENIE Wiadomo, że były używane w Persji w X wieku, a w Europie Zachodniej pierwsze tego typu urządzenia pojawiły się pod koniec XII wieku. W XVI wieku ostatecznie ukształtował się typ namiotu holenderskiego wiatraka. Szczególnych zmian w ich konstrukcji nie zaobserwowano aż do początku XX wieku, kiedy w wyniku badań znacznie poprawiono kształty i powłoki skrzydeł młynów. Ponieważ maszyny wolnoobrotowe są nieporęczne, w drugiej połowie XX wieku. zaczął budować szybkie turbiny wiatrowe, tj. tych, których koła wiatrowe mogą wykonywać dużą liczbę obrotów na minutę przy wysokim współczynniku wykorzystania energii wiatru.
Nowoczesne typy turbin wiatrowych. Obecnie stosowane są trzy główne typy turbin wiatrowych - bębnowe, łopatkowe (typ śrubowy) i obrotowe (z profilem odrzutnika w kształcie litery S).
Bęben i skrzydlaty. Chociaż koło wiatrowe typu bębnowego ma najniższy stopień wykorzystania energii wiatru w porównaniu z innymi nowoczesnymi odrzutnikami, jest ono najczęściej stosowane. W wielu gospodarstwach służy do pompowania wody, jeśli z jakiegoś powodu nie ma prądu w sieci. Typowy kształt takiego koła z ostrzami blaszanymi pokazano na ryc. 1. Koła wiatrowe bębnowe i łopatkowe obracają się na poziomym wale, więc muszą być skierowane na wiatr, aby uzyskać najlepszą wydajność. Aby to zrobić, otrzymują ster - łopatę umieszczoną w płaszczyźnie pionowej, która zapewnia obrót koła wiatrowego do wiatru. Średnica koła największej na świecie turbiny wiatrowej typu łopatkowego wynosi 53 m, maksymalna szerokość jego łopat to 4,9 m. Koło wiatrowe jest bezpośrednio połączone z generatorem elektrycznym o mocy 1000 kW, który rozwija się przy prędkości wiatru co najmniej 48 km/h. Jego łopaty są ustawione w taki sposób, aby prędkość obrotowa koła wiatrowego była stała i równa 30 obr/min w zakresie prędkości wiatru od 24 do 112 km/h. Ze względu na to, że wiatry wieją dość często w rejonie, w którym znajdują się takie elektrownie wiatrowe, turbina wiatrowa zwykle wytwarza WIATR 50% mocy maksymalnej i zasila publiczną sieć energetyczną. Łopatkowe turbiny wiatrowe są szeroko stosowane na odległych obszarach wiejskich do dostarczania energii elektrycznej do farm, w tym do ładowania baterii systemów komunikacji radiowej. Stosowane są również w elektrowniach pokładowych samolotów i pocisków kierowanych.
Wirnik w kształcie litery S. Wirnik w kształcie litery S zamontowany na pionowym wale (rys. 2) jest dobry, ponieważ turbina wiatrowa z takim odrzutnikiem nie musi być przenoszona na wiatr. Chociaż moment obrotowy na jego wale zmienia się od minimum do jednej trzeciej swojej wartości maksymalnej w ciągu pół obrotu, nie jest on zależny od kierunku wiatru. Gdy gładki okrągły cylinder obraca się pod wpływem wiatru, na korpus cylindra działa siła prostopadła do kierunku wiatru. Zjawisko to nazywa się efektem Magnusa, od nazwiska niemieckiego fizyka, który je badał (1852). W latach 1920-1930 A. Flettner stosował obrotowe cylindry (wirniki Flettnera) i wirniki w kształcie litery S zamiast łopatkowych kół wiatrowych, a także jako śmigła do statku, który przeszedł z Europy do Ameryki iz powrotem.
Współczynnik wykorzystania energii wiatru. Moc pobierana z wiatru jest zwykle niewielka – niecałe 4 kW wytwarza przestarzały wiatrak holenderski przy prędkości wiatru 32 km/h. Możliwa do wykorzystania moc strumienia wiatru powstaje z energii kinetycznej mas powietrza poruszających się w jednostce czasu prostopadle do powierzchni o danej wielkości. W turbinie wiatrowej obszar ten jest określony przez nawietrzną powierzchnię odrzutnika. Biorąc pod uwagę wysokość nad poziomem morza, ciśnienie powietrza na nim i jego temperaturę, dostępna moc N (w kW) na jednostkę powierzchni jest określona równaniem N = 0,0000446 V3 (m/s). Współczynnik wykorzystania energii wiatru jest zwykle definiowany jako stosunek mocy wytwarzanej na wale turbiny wiatrowej do dostępnej mocy strumienia wiatru działającego na nawietrzną powierzchnię koła wiatrowego. Współczynnik ten staje się maksymalny przy pewnym stosunku prędkości zewnętrznej krawędzi łopaty koła wiatrowego w i prędkości wiatru u; wartość tego stosunku w/u zależy od typu turbiny wiatrowej. Współczynnik wykorzystania energii wiatrowej zależy od typu koła wiatrowego i waha się od 5-10% (holenderski młyn z płaskimi skrzydłami, w/u = 2,5) do 35-40% (profilowany odrzutnik łopatkowy, 5 R€ w/u R€ 10 ) .
LITERATURA
Moc wiatru. M., 1982 Yaras L. i inni Energia wiatru. M., 1982
