Ветряные двигатели

ВЕТРЯНЫЕ ДВИГАТЕЛИ, двигатели, приводимые в движение силой ветра, давящего на крылья. Воздух, подходя к ветряному двигателю и проходя через площадь, ометаемую его крыльями, создает перед ним увеличенное давление, уменьшает свою скорость и частично растекается вокруг ветряного двигателя (см. Аэродинамика). Схему течения воздуха около ветряного двигателя можно представить в виде фиг. 1.

Линии АБВ и А₁Б₁В₁ представляют собой границы частиц воздуха, прошедших и не прошедших сквозь площадь, ометаемую крыльями ветряного двигателя; при этом за двигателем объем ВББ₁В₁ обработанного воздуха мы рассматриваем изолированным от воздуха с более спокойным течением. Обозначим скорость воздуха далеко перед двигателем в сечении АА₁ через W, скорость в плоскости вращения ББ₁ через W—w, скорость отработанного воздуха далеко за двигателем в ВВ₁ через W—w₁ и площадь, ометаемую крыльями двигателя, в сечении ББ₁ через F. По теореме о количестве движения (полагая в ней элемент времени t = 1 сек.) имеем силу лобового давления двигателя

где m — масса прошедшего в 1 сек. через площадь F воздуха; мощность двигателя

Та же мощность выражается как разность живых сил потока в сечениях АА₁ и ББ₁. В сечении ВВ₁ давление равно атмосферному и линии тока воздуха параллельны средней оси потока. Имеем:

Сравнение выражений (2) и (3) дает нам:

Для средней скорости потока в сечениях АА₁ и ВВ₁ имеем:

т. е. скорость воздуха в плоскости вращения ветряного двигателя является средней арифметической из скоростей воздуха далеко перед двигателем и далеко за ним. Масса воздуха, проходящего в 1 секунду через сечение F плоскости вращения ветряного двигателя:

где ϱ — плотность воздуха (в наших условиях при температуре 15°, при 45 северной широты, на уровне моря ϱ = ¹/₈ кг·сек²/м.

Т. о. работа, отданная потоком воздуха ветряного двигателя, согласно (2), равна

Энергия ветра измеряется его живой силой

Деля работу ветряного двигателя на энергию ветра и заменяя w₁ через 2w, получим коэффициент использования энергии ветра, или КПД его,

Для получения максимума ξ определяем производную dξ/dw и приравниваем ее нулю:

откуда

Отсюда видно, что более ¹⁶/₂₇ энергии ветра, проходящей через ометаемую крыльями ветряного двигателя площадь, получить нельзя. Это относится ко всякого рода ветряным двигателям — крыльчатым и карусельным.

Работы Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ) в 1920 г. показали, что получаемый из опыта КПД ξ зависит от метода испытания ветряных двигателей. Ветер в периоды усиления расходует свою энергию не только на полезную работу, отдаваемую двигателю, но и на образование в крыльях запаса живой силы, как в маховике; в период ослабления ветра накопленная в двигателе энергия отдается рабочим машинам в дополнение к энергии, получаемой двигателем от ветра. В первом случае мощность, показываемая измерительными приборами, имеет слишком низкие КПД, во втором — слишком высокие, в виду чего необходимо делать не мгновенные отсчеты, а непрерывные записи всех элементов работы двигателя в течение нескольких минут и брать из этого материала средние величины.

Все ветряные двигатели можно разбить на два главных класса: 1) крыльчатые, у которых ось двигателя направлена по потоку (наши обычные ветряные мельницы или «американский» двигатель многолопастного типа), и 2) двигатели карусельного типа, у которых ось поставлена перпендикулярно к потоку. На фиг. 2 представлена характеристика ветряного двигателя многолопастного типа «Аэромотор», с диаметром лопастей D = 2,5 м и при скорости W = 4 м/сек.

Размеры ветряных двигателей карусельного типа в несколько раз больше размеров крыльчатых двигателей той же мощности; в то же время двигатели карусельного типа обладают низким коэффициентом использования энергии ветра, тихоходностью и громоздкостью. Почти вся площадь, подставляемая действию ветра, у них закрыта материалом, что делает их неспособными выдерживать бури. До сих пор над карусельного типа двигателями производились только эксперименты, будущее же их сомнительно. На фиг. 3 показаны особенности ветряных двигателей крыльчатого типа, разной быстроходности.

По оси абсцисс отложена величина

где W — скорость ветра, a wR — окружная скорость на внешнем конце радиуса колеса ветряного двигателя. Величина z, число модулей, характеризует меру быстроходности двигателей. На этой фиг. пунктирная прямая изображает максимальный теоретически возможный коэффициент использования энергии ветра, равный 0,593; кривая I дает этот коэффициент для крыла хорошего в аэродинамическом отношении профиля; кривая II дает отношение мощностей ветряных двигателей с разными модулями; кривые III, IV, Vдают отношения размеров диаметров, суммарных площадей и веса крыльев ветряных двигателей с разными модулями. На фиг. 3 схематически изображены крылья ветряных двигателей, соответствующие разным значениям W. Эти кривые показывают выгодность замены колеса ветряных двигателей более быстроходными. В самом деле, при такой замене для сохранения прочности головки двигателя необходимо сохранить тот же крутящий момент, а это значит, что диаметр крыльев увеличился, но т. к. число крыльев уменьшится, то вес колеса и давление на него ветра уменьшатся. А между тем с увеличением быстроходности мощность быстро растет, ξ же меняется мало, если крыло имеет хороший профиль. Единственно, что изменяется в условиях работы головки двигателя, это — скорость вращения колеса его, увеличивающаяся пропорционально увеличению мощности, но эта скорость не увеличивается более чем в 2—3 раза и, в виду малой абсолютной скорости вращения существующих многолопастных ветряных двигателя, не отразится существенно на прочности головки.

Для трогания с места ветряного двигателя с установкой, работающей при постоянном крутящем моменте (поршневой насос, чигирь, нория), необходим достаточно большой начальный крутящий момент; а между тем с увеличением быстроходности ветряного двигателя уменьшается отношение начального крутящего момента к рабочему при максимальном ξ, причем даже у сравнительно тихоходного многолопастного двигателя с W= 0,8 это отношение меньше 1, как показывает табл. 1.

Т. к. у ветряного двигателя с поворотными лопастями отношение начального крутящего момента к рабочему, даже при z = 5, мало отличается от единицы, то для увеличения начального крутящего момента необходимо в быстроходных ветряных двигателях делать лопасти поворотными около своего радиуса.

На основе этих теоретических соображений сконструированы ветряные двигатели типа ЦАГИ. Применение использования самого потока воздуха для поворота крыльев двигателя (идея Г. X. Сабинина) позволило создать тип саморегулирующегося двигателя, скорость вращения которого при разных скоростях ветра и нагрузках сохраняется постоянной в пределах до ±3,0% от средней величины. Постоянство скорости вращения и свободное вращение крыльев двигателя вокруг своих махов имеют следствием нечувствительность (практически) двигателя к бурям. Серийное производство двигателей ЦАГИ поставлено в Костроме на заводе «Рабочий металлист».

Для ветряных двигателей малых мощностей более дешевыми являются двигатели многолопастного типа, так как вес конструкции не оказывает в этом случае столь большого влияния на стоимость, как при двигателях более крупных мощностей. Общий вид ветряных двигателей многолопастного типа, приводящего в движение поршневой насос, представлен на фиг. 4 и 5.

Колесо двигателя 1 состоит из многих (в общем от 12 до 64) лопастей, изготовленных из листовой стали и изогнутых по дуге круга. Вогнутая часть лопастей обращена к ветру, и угол между хордой лопасти и плоскостью вращения колеса имеет обычно постоянную величину равную З0°.

Постановкой лопастей по винтовой линии можно увеличить ξ до 20 %. Главный вал колеса 3 лежит или горизонтально, или наклонно к горизонту до 12°, причем передний конец приподнят. При наклонном положении вала мощность двигателя уменьшается пропорционально кубу косинуса угла между осью вала и горизонтом; делается же это обычно для того, чтобы лопасти нижнего края колеса не цеплялись за башню. Вращение главного вала двигателя через кривошипный механизм передается в виде качательного движения к насосу. Главный вал двигателя помещен эксцентрично по отношению к оси вращения двигателя вокруг башни. Ферма хвоста 4 прикреплена к головке двигателя на шарнире и со стороны, противоположной валу, соединена с головкой пружинами 5, фиксирующими определенное положение хвоста 2 по отношению к головке. Во время сильного ветра давление его на колесо преодолевает натяжение пружины, и колесо выводится из-под ветра, чем и предохраняется от разноса (фиг. 6 — обозначения те же, что на фиг. 4 и 5).

Хвост имеет следующие нормальные размеры: расстояние от центра башни до центра плоскости хвоста 0,75 D, и площадь плоскости хвоста равна 0,125·D² (здесь D- диаметр колеса двигателя).

Теоретически мыслимы ветряные двигатели, у которых крылья заменены вращающимися цилиндрами, но вследствие большой окружной скорости для двигателей малого диаметра эта замена совершенно нецелесообразна. Для ветряных двигателей очень больших диаметров такая замена допустима, но преимуществ, по сравнению с ветряными двигателями быстроходного типа, здесь ожидать трудно, вследствие относительно низкого аэродинамического качества и, следовательно, низкого КПД ξ вращающихся цилиндров, а также сравнительно небольшой быстроходности их.

Техника безопасности. Ветряной двигатель должен быть снабжен надежно действующим тормозным приспособлением, устроенным так, чтобы он не мог быть выведен из действия без ведома рабочего, обслуживающего ветряной двигатель. Смазка верхних частей ветряного двигателя должна быть или автоматическая, или при помощи масленок с резервуарами, наполняемыми до пуска ветряного двигателя в ход. Башня ветряного двигателя должна иметь прочные лестницы с перилами высотой не менее 1 м, со сплошной зашивкой внизу на высоту 18 см.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 3 — 1928 г.

Ветряной двигатель

 

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована, в частности, для преобразования энергии воздушного потока в электрическую энергию. В ветряном двигателе, включающем ветроколесо, укрепленное на вертикальном валу 1, содержащее жестко соединенные с валом 1 горизонтальные оси 2 и установленные с возможностью поворота лопасти 3, лопасти 3 установлены на горизонтальных осях 2, при этом двигатель снабжен ограничителями 4 поворота лопастей 3; ограничители 4 поворота лопастей 3 выполнены в виде консольных упоров, укрепленных на валу 1. Значительно уменьшается изгибающий момент на вал 1 ветряного двигателя, устраняются нарушения центровки системы относительно вала 1 и тем самым исключается радиальное биение вала 1 в подшипниках, повышается КПД, а также упрощается и повышается надежность конструкции.

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована, в частности, для преобразования энергии воздушного потока в электрическую энергию.

Известен ветряной двигатель, содержащий размещенное на вертикальном валу ветроколесо с поворотными лопастями, ограничители поворота лопастей, снабженные секторными дисками и подпружиненными стержнями, установленными с возможностью контактирования с дисками, механизм перевода лопастей во флюгерное положение, RU 1787208.

Недостатками этого устройства являются низкий КПД, интенсивная вибрация при работе, быстрый износ и ненадежность механизма, неравномерность вращения ветроколеса.

Известен ветряной двигатель, включающий ветроколесо, содержащее установленные на вертикальной оси махи и шарнирно закрепленные на махах лопасти, причем на каждом махе закреплена пара лопастей, имеющих общую ось вращения, параллельную оси вращения

ветроколеса, причем на каждой лопасти шарнирно закреплена тяга, соединенная с ползуном, имеющим возможность передвигаться по направляющей, закрепленной горизонтально перпендикулярно маху, на котором установлен подпружиненный ползун, взаимодействующий с одной из лопастей, RU 2057969.

Данное устройство имеет относительно постоянную скорость вращения ветроколеса, однако оно сохраняет остальные недостатки описанного выше аналога.

Известен ветряной двигатель, включающий ветроколесо, укрепленное на вертикальном валу, содержащее жестко соединенные с валом горизонтальные оси (махи), а также пары лопастей, которые установлены с возможностью поворота на вертикальных осях, размещенных на каретках, установленных на горизонтальных осях с возможностью перемещения вдоль последних. К каждой лопасти прикреплена тяга, шарнирно соединенная с ползуном, установленным с возможностью перемещения на горизонтальной направляющей, перпендикулярной горизонтальной оси (маху). Каретки подпружинены относительно упоров, выполненных на концах горизонтальных осей, RU 2313691.

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящей полезной модели.

Недостатками данного устройства являются следующие: при направлении ветра перпендикулярно одной из горизонтальных осей только одна пара лопастей (на одном из концов этой горизонтальной оси) находится в раскрытом положении и участвует в создании полезного крутящего момента, обеспечивающего вращение вала; пары лопастей на концах другой горизонтальной оси закрыты и создают изгибающий момент, передаваемый на вал. Это приводит к интенсивному износу подшипников вала, требует усиления механизмов лопастей, а также увеличения диаметра вала.

Из-за увеличения трения в подшипниках, а также из-за трения кареток относительно горизонтальный осей, ползунов относительно направляющих, сжатия и растяжения пружин существенно снижается коэффициент полезного действия (КПД) всей системы. Кроме того, весьма серьезным недостатком является нарушение центровки системы относительно вала из-за возвратно-поступательного перемещения кареток, что приводит к радиальному биению вала относительно его подшипников. Следует также отметить сложность и ненадежность данной «зонтичной» конструкции.

Задачей полезной модели является значительное уменьшение изгибающего момента на вал ветряного двигателя, устранение нарушения центровки системы относительно вала и тем самым исключение радиального биения вала в подшипниках, повышение КПД, а также упрощение и повышение надежности конструкции.

Согласно полезной модели в ветряном двигателе, включающем ветроколесо, укрепленное на вертикальном валу, содержащее жестко соединенные с валом горизонтальные оси и установленные с возможностью поворота лопасти, лопасти установлены на горизонтальных осях, при этом двигатель снабжен ограничителями поворота лопастей; ограничители поворота лопастей выполнены в виде консольных упоров, укрепленных на валу.

Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию «новизна».

Сущность полезной модели поясняется чертежами, где изображено:

на фиг.1 — вид спереди;

на фиг.2 — вид сверху;

на фиг.3 — устройство в аксонометрии.

Ветряной двигатель включает ветроколесо, укрепленное на валу 1. Ветроколесо содержит горизонтальные оси 2, жестко соединенные

с валом 1, в частности, с утолщением на его верхнем конце. Ветроколесо также содержит лопасти 3, установленные с возможностью поворота на горизонтальных осях 2. Ветряной двигатель снабжен ограничителями 4 поворота лопастей 3, в конкретном примере ограничители 4 выполнены в виде консольных упоров, укрепленных на валу 1. Вал 1 установлен в подшипниках 5 и опирается на подпятник 6, укрепленный на основании 7. Вращение от вала 1 к исполнительному механизму, в частности, к электрическому генератору передается с помощью зубчатой передачи 8.

Устройство работает следующим образом.

Лопасти 3, находящиеся в плоскости, параллельной направлению ветра, обращены в этот момент ребрами к ветру и, практически, не воспринимают ветровую нагрузку (фиг.2).

Одна из лопастей 3, находящихся на другой горизонтальной оси 2, перпендикулярной направлению ветра, поднята ветром в горизонтальное положение и также не воспринимает нагрузку от ветра; другая из лопастей на этой оси прижата ветром к ограничителю 4 ее поворота, находится в вертикальном положении и воспринимает ветровую нагрузку, крутящий момент от которой через ось 2 передается на вал 1, поворачивая его на некоторый угол. После этого ветровая нагрузка аналогичным образом воспринимается следующими лопастями по мере вращения вала 1.

Конструкция ветряного двигателя согласно данной полезной модели исключает возникновение изгибающего момента на вал; вал работает только на кручение, что уменьшает нагрузку на подшипники вала и, соответственно, их износ.

Центровка системы, практически, не меняется в процессе работы двигателя, так как отсутствуют элементы, перемещающиеся перпендикулярно продольной оси вала; это позволяет исключить радиальное биение вала в подшипниках, а также снизить трение в подшипниках; отсутствие пружин, кареток, шарниров и т. п. элементов существенно упрощает конструкцию устройства, повышает ее

надежность, а также снижает потери на трение, что обеспечивает повышение коэффициента полезного действия.

Для изготовления устройства использованы обычные конструкционные материалы и заводское оборудование. Это обстоятельство, по мнению заявителя, позволяет сделать вывод о том, что данное изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».

1. Ветряной двигатель, включающий ветроколесо, укрепленное на вертикальном валу, содержащее жестко соединенные с валом горизонтальные оси и установленные с возможностью поворота лопасти, отличающийся тем, что лопасти установлены на горизонтальных осях, при этом двигатель снабжен ограничителями поворота лопастей.

2. Ветряной двигатель по п.1, отличающийся тем, что ограничители поворота лопастей выполнены в виде консольных упоров, укрепленных на валу.

Как работает ветряк?

Ветряные турбины могут превращать энергию ветра в электричество, которое мы все используем для питания наших домов и предприятий. Они могут быть автономными, снабжая только один или очень небольшое количество домов или предприятий, или они могут быть сгруппированы, чтобы стать частью ветряной электростанции. Здесь мы объясняем, как они работают и почему они важны для будущего энергетики.

Что такое ветряк?

Ветряные турбины — современная версия ветряной мельницы. Проще говоря, они используют силу ветра для создания электричества.

Наиболее заметны большие ветряные турбины, но вы также можете купить маленькую ветряную турбину для индивидуального использования; например, для обеспечения электроэнергией каравана или лодки.
 

Что такое ветряная электростанция?

Ветряные электростанции представляют собой группы ветряных турбин. Впечатляет мысль о том, что электричество, которое питает так много в нашей жизни — от зарядки наших телефонов до возможности приготовить чашку кофе и, во все большей степени, заправки наших автомобилей — могло начаться как простой порыв ветра. .
 

Как работают ветряные турбины?

Сначала давайте начнем с видимых частей ветряной электростанции, которые мы все привыкли видеть, — высоких белых или бледно-серых турбин. Каждая из этих турбин состоит из набора лопастей, коробки рядом с ними, называемой гондолой, и вала. Ветер — даже легкий бриз — заставляет лопасти вращаться, создавая кинетическую энергию. Лопасти, вращающиеся таким образом, также заставляют вращаться вал в гондоле, а генератор в гондоле преобразует эту кинетическую энергию в электрическую энергию.
 

Что дальше произойдет с электричеством, вырабатываемым ветряной турбиной?

Для подключения к национальной сети электроэнергия затем проходит через трансформатор на объекте, который повышает напряжение до напряжения, используемого национальной системой электроснабжения. Именно на этом этапе электричество обычно поступает в сеть передачи National Grid, готовое к передаче, чтобы в конечном итоге его можно было использовать в домах и на предприятиях. В качестве альтернативы ветряная электростанция или отдельная ветряная турбина могут генерировать электроэнергию, которая используется в частном порядке отдельными или небольшими домами или предприятиями.
 

Почему ветряные турбины обычно белого или бледно-серого цвета?

Ветряные турбины, как правило, бывают либо белыми, либо очень бледно-серыми — идея состоит в том, чтобы сделать их визуально ненавязчивыми. Ведется дискуссия о том, следует ли красить их в другие цвета, особенно в зеленый, в некоторых местах, чтобы помочь им лучше слиться с окружающей средой.
 

Насколько сильным должен быть ветер для работы ветряной турбины?

Ветряные турбины могут работать при любых скоростях ветра, от очень слабого до очень сильного. Они генерируют около 80% времени, но не всегда на полную мощность. При очень сильном ветре они отключаются, чтобы предотвратить повреждение.
 

Где расположены ветряные электростанции?

Ветряные электростанции, как правило, располагаются в самых ветреных местах, чтобы максимизировать энергию, которую они могут производить, поэтому вы, скорее всего, увидите их на склонах холмов или на побережье. Ветряные электростанции, расположенные в море, называются оффшорными ветряными электростанциями, а те, что на суше, — береговыми ветряными электростанциями.
 

Где был первый ветряк и первая ветряная электростанция?

Самая первая ветряная турбина, производившая электричество, была создана профессором Джеймсом Блитом в его доме отдыха в Шотландии в 1887 году. Она была 10-метровой высоты и имела парусное полотно.

Первая в мире ветряная электростанция открылась в Нью-Гемпшире в США в 1980 году.
 

Вредны ли ветряные электростанции для птиц?

Дело в том, что изменение климата представляет наибольшую долгосрочную угрозу для птиц и других диких животных. А возобновляемая энергия, ключевым компонентом которой являются ветряные турбины, необходима для сокращения парниковых газов .

Британская благотворительная организация Королевское общество защиты птиц ( RSPB ) признает эту более широкую картину, заявляя: «Переход на возобновляемые источники энергии сейчас, а не через 10 или 20 лет, необходим, если мы хотим стабилизировать парниковые газы в атмосфера на безопасном уровне».

Разработчики ветряных электростанций тесно сотрудничают с RSPB и местными экологическими группами в рамках процесса консультаций по размещению ветряных электростанций, чтобы продолжить рост наземной и морской ветровой энергии, уравновешивая любой потенциальный вред птицам из-за потери среды обитания, нарушения и столкновения. .

В отчете США сделан вывод о том, что влияние энергии ветра на популяции птиц относительно невелико по сравнению с падением птиц до кошек и столкновениями с высотными зданиями.

Какая часть электроэнергии Великобритании вырабатывается за счет ветра?

Узнайте, какая часть электроэнергии в Великобритании вырабатывается за счет ветра, с помощью приложения ESO National Grid для Google Play или Apple iOS .
 

Объяснение дополнительной энергии

Энергия ветра на суше и на море: в чем разница?

Как работает солнечная энергия?

Основы ветроэнергетики | NREL

Ветер возникает, когда поверхность земли нагревается солнцем неравномерно. Энергия ветра
можно использовать для выработки электроэнергии.

Текстовая версия

Ветряные турбины

Ветряные турбины, как и ветряные мельницы, монтируются на башне для захвата большей части энергии.
На высоте 100 футов (30 метров) или более над землей они могут воспользоваться более быстрым
и менее бурный ветер. Турбины улавливают энергию ветра своими пропеллерными
лезвия. Обычно на валу устанавливаются две или три лопасти, образующие ротор .

Лезвие действует подобно крылу самолета. Когда дует ветер, карман низкого давления
воздух образуется на подветренной стороне лопасти. Затем воздушный карман низкого давления тянет
лезвие к нему, заставляя ротор вращаться. это называется лифт . Сила подъема на самом деле намного больше, чем сила ветра против
передняя сторона лезвия, которая называется , перетаскивание . Сочетание подъемной силы и сопротивления заставляет ротор вращаться, как пропеллер, и
вращающийся вал вращает генератор, вырабатывающий электричество.

Исследования NREL в области ветроэнергетики в основном проводятся в кампусе Флэтайронс, недалеко от Боулдера, штат Колорадо.

Ветряные турбины коммунального масштаба на ветряной электростанции Сидар-Крик в Гровере, Колорадо. Фото Денниса Шредера/NREL
Платформа, Университет штата Мэн, часть консорциума DeepCWind. Фото из Университета штата Мэн

Наземная ветровая энергия

Ветряные турбины могут использоваться как автономные приложения или они могут быть подключены к
сеть общего пользования или даже в сочетании с фотоэлектрической системой (солнечным элементом). За
коммунальные (мегаваттные) источники энергии ветра, большое количество ветряных турбин
обычно строятся близко друг к другу, образуя ветряная электростанция , также называемая ветряной электростанцией . Сегодня несколько поставщиков электроэнергии используют ветряные электростанции для снабжения своих клиентов электроэнергией.

Автономные ветряные турбины обычно используются для перекачки воды или связи.
Однако домовладельцы, фермеры и владельцы ранчо в ветреных районах также могут использовать ветряные турбины.
как способ сократить свои счета за электричество.

Распределенная энергия ветра

Малые ветровые системы также могут использоваться в качестве распределенных источников энергии. Распределенный
Энергетические ресурсы относятся к множеству небольших модульных технологий производства энергии.
которые можно комбинировать для улучшения работы системы подачи электроэнергии.
Для получения дополнительной информации о распределенном ветре посетите офис технологий ветроэнергетики Министерства энергетики США.

Оффшорная ветроэнергетика

Оффшорная ветроэнергетика — относительно новая отрасль в США.