В. Германович - Альтернативные источники энергии и энергосбережение

Однако в механическую работу можно превратить только часть энергии потока, протекающего через ветроколесо. Другая часть энергии теряется на трение воздушных частиц и различные потери, так как ветроколесо оказывает сопротивление движению воздушных частиц. Кроме того, значительная часть энергии содержится в воздушном потоке, уже прошедшем через ветроколесо. Это объясняется тем, что поток за ветроколесом также имеет некоторую скорость.

В теории крыльчатых ветродвигателей доказывается:

♦ что скорость потока за ветроколесом не может быть равна нулю;

♦ что наилучший режим работы ветродвигателя будет в том случае, когда скорость непосредственно за ветроколесом составляет 2/3 от первоначальной скорости потока, набегающего на ветроколесо.

Число, показывающее, какая часть мощности воздушного потока полезно используется ветроколесом, называется коэффициентом использования энергии ветра и обозначается греческой буквой % (кси).

Величина коэффициента использования энергии ветра χ , прежде всего, зависит от типа ветродвигателя, формы его крыльев и качества их изготовления, а также от ряда других факторов.

Для лучших быстроходных ветродвигателей, имеющих крылья обтекаемого аэродинамического профиля, χ = от 0,42 до 0,46. Это означает, что ветроколеса таких ветродвигателей могут полезно использовать, т. е. превращать в механическую работу, 42–46 % энергии, которой обладает ветровой поток, проходящий через ветроколесо. Для тихоходных ветродвигателей значения % могут быть в пределах от 0,27 до 0,33. Максимальное значение теоретического коэффициента использования энергии ветра у идеальных крыльчатых ветродвигателей равно 0,593.

Определение.

Под идеальным ветродвигателем принято понимать такой двигатель, который имеет наиболее совершенное ветроколесо, лишенное каких-либо аэродинамических потерь.

Крыльчатые ветродвигатели получили преимущественное распространение, и только они выпускаются промышленностью. Крыльчатые двигатели делятся на две группы:

♦ быстроходные (малолопастные), с числом лопастей до 4;.

♦ тихоходные (многолопастные), имеющие от 4 до 24 лопастей, а в некоторых случаях и больше.

Примечание.

Чем меньше число лопастей, тем при прочих равных условиях ветроколесо имеет большее число оборотов.

Вот почему малолопастные ветродвигатели называются быстроходными. Быстроходность является одним из серьезных преимуществ этих ветродвигателей, так как делает более простой передачу мощности * таким быстроходным машинам, как, например, электрический генератор.

Кроме того, быстроходные ветродвигатели, как правило, более легкие, чем тихоходные. Как указывалось выше, они имеют более высокий коэффициент использования энергии ветра.

Однако у них имеется и недостаток, заключающийся в том, что их начальный момент трогания, т. е. вращающий момент, развиваемый на неподвижном ветроколесе, при одинаковых диаметрах ветроколес и скорости ветра в несколько раз меньше, чем у тихоходных ветроколес.

На рис. 1.3 приведены для сравнения аэродинамические характеристики двух одинаковых по диаметру ветроколес, одно из которых имеет 3, а другое — 18 лопастей.

Рис. 1.3. Аэродинамические характеристики тихоходного 18-лопастного и быстроходного 3-лопастного ветроколесо

Пунктирные линии — 18-лопастное ветроколесо, сплошные — 3-лопастное ветроколесо. По горизонтальной оси на этом графике отложена быстроходность, или число модулей Zветроколеса.

Эта величина определяется отношением окружной скорости ω∙ Rконца лопасти к скорости Vветра, набегающего на ветроколесо.

Примечание.

На рис. 1.3 видно, что наибольший коэффициент использования энергии ветра ветроколесо имеет лишь при определенной быстроходности, т. е. для каждой скорости ветра имеется одно единственное число оборотов, при котором мы получаем максимальный χ .

Кроме того, при одинаковой скорости ветра тихоходное ветроколесо имеет в несколько раз больший момент, чем быстроходное и, следовательно, будет начинать работать в случае одинаковой нагрузки при меньших скоростях ветра. Это очень важно для эксплуатации, так как возможное число часов работы ветродвигателя увеличивается.