8.4. Лобовое давление на ветроколесо

Рис. 8.5. Лобовое давление на ветроколесо:

u_o– скорость ветрового потока; р – давление;z– высота;F_A– осевая нагрузка; Δр – перепад давлений.

Максимальная нагрузка, действующая на ветроколесо, равна:

F_Aмакс= ρ*А₁*u_o²/2 (8.14.)

В горизонтально – осевых установках эта сила действует по оси колеса и называется лобовым давлением. Силу, действующую на конкретное ветроколесо, можно представить в виде:

F_A=C_F*ρ*A₁*u_o²/2 (8.15.)

где С_F– коэффициент лобового давления, зависящий от параметров колеса.

С_F= 4a*(1 –a) (8.16.)

При С_рмакс= 0,59, С_Fмакс= 89%.

Максимальное значение КПД ВЭУ – 89%.

Как правило, ветроколёса не выдерживают нагрузок ветра при скорости выше 20м/с. Поэтому принимают ряд мер: поворот лопастей в нерабочее положение, уменьшение снимаемой мощности, самоторможение, принудительную остановку ветроколеса.

8.5.Крутящий момент.

Максимальный крутящий момент ветроколеса Ц не может превышать значения произведения максимальной действующей на ветроколесо силы на максимальный его радиус Г.

Ц_макс=F_макс*Г (8.17.)

или Ц_макс= ρ*А₁*u_o²Г/2 (8.18.)

или Ц = С_ц*Т_макс, (8.19.)

где С_ц– коэффициент крутящего момента.

Параметр Z– быстроходность ветроколеса, равная отношению окружной скорости конца лопастейu_гк скорости набегающего потокаu_o. т.е.

Z=u_r/u_o=Rω/u_o(8.20.)

где ω – угловая скорость вращения ветроколеса.

Тогда Ц_макс= Р_о*Z/ω,

где Р_о– мощность ветрового потока.

Мощность на валу ветроколеса

_{Р = Ц*ω (8.21.)}

С_р*Р_о= С_ц*Ц_макс*ω = С_ц*Р_о*Z; С_р=Z*С_ц; (8.22.)

В идеальном случае имеем: (С_ц)_макс= 0,59/Z(8.23.)

Максимальная эффективность работы ветроколеса

Z= 2π/n*(Г/d), (8.24.)

_{где n– число лопастей;}

d- характерная длина возмущённой лопастью области.

Оптимальная быстроходность ветроколеса:

Z_o≈(2π/k*n), (8.25.)

где – к ≈ 1.

В практике к = ½, поэтому для n– лопастного ветроколеса оптимальная быстроходность:Z_o≈4π/n

Быстроходность ветроколеса является самым важным параметром, зависящим от трёх основных переменных: радиуса ометаемой ветроколесом окружности, его угловой скорости вращения и скорости ветра. Как безразмерная величина он является основным параметром подобия при конструировании ветроэлектрогенераторов. Коэффицинет мощности С_рзависит от коэффицинета торможения в диапазоне 0< а <0,5

С_р= 4а*(1- а)², (8.26)

где а = 1 –u₁/u_o(8.27)

а < 0, С_ротрицателен. Это режим работы авиационного пропеллера.

0 < а < 0,5, С_рв этом диапазоне достигает максимума.

При отсутствии нагрузки а = 0; u₁=u_o; С_р= 0.

При 0,5 < а < 1, С_рпостоянно уменьшается.

С_рмаксимум при .а = 1/3.

8.6. Характеристики ветра.

Направление ветра определяется стороной света, откуда дует ветер. Метеоданные о направлении ветра представяют обычно в виде розы ветров.

Скорости ветра на разных высотах различны. Наилучшим местом для размещения ветроустановки является гладкая, куполообразная, ничем не затенённая, возвышенность. Как правило, головки ветроустановок находятся на высоте от 5 до 50м. Для определения скорости ветра на высоте z₂пользуются эмпирической зависимостью степенного вида:

u(z₂) =u(z₁)*(z₂/z₁)^m(8.28.)

где u(z₁) – скорость ветра, измеренная на высоте 10м;

u(z₂) – скорость ветра на высоте.

Показатель степени (m) принимается равным 0,2. Однако, этот показатель зависит также и от времени года (таблица 8.5.).

_{Таблица 8.5.}

Коэффициент возрастания средней скорости ветра с высотой V(h₂)/V(h₁) и показатель степениm.

Сезон	Высота,м						m
	10	20	40	60	80	100
Зима	1	1,12	1,26	1,35	1,43	1,50	0,17
Весна	1	1,17	1,36	1,50	1,59	1,66	0,22
Лето	1	1,18	1,40	1,55	1,67	1,76	0,24
Осень	1	1,12	1,26	1,35	1,43	1,50	0,17
Год	1	1,15	1,32	1,44	1,53	1,60	0,20

Важными составляющими ветроэнергетческого кадастра являются временные характеристики скорости ветра. Это изменение скорости ветра в течение суток, месяца и года. В большинстве прикладных задач ветроэнергетики гораздо важнее знать не суммарное количество энергии, которое может выработать ветроустановка, например, за год, а ту мощность, которую она может обеспечивать постоянно.