Один из конструктивных параметров ветроустановки — удельная (установленная мощность), приходящаяся на ометаемую лопастями окружность.
Содержание
- Выбор удельной мощности ветроустановки
- Оптимизация удельной мощности
- Быстроходность ветроустановки
- Количество лопастей пропеллерa
Выбор удельной мощности ветроустановки
Конструктор должен решить, каков будет характер ожидаемой и получаемой мощности. Хочет ли потребитель в течение всего года по возможности получать постоянный уровень мощности (см. диаграмму), или подключённая к сети установка должна «укрощать» все скорости ветра до самых больших величин? Это означало бы, что установка оптимизируется для получения максимального энергодохода.
Концепция ветроустановки
При желании иметь постоянный уровень получаемой энергии, следует выбирать низкую удельную мощность. Рекомендуется несколько десяток ватт на квадратный метр ометаемой площади.
Например, небольшая ветроустановка 100 м² ометаемой площади, или 11,28 м в диаметре, может быть оснащена генератором 3, 5, 8 или 10 кВт. Удельная мощность составит тогда 30,50,80 или 100 Вт/м². Такая низкая нагрузка ведет к продолжительному периоду постоянной мощности.
При установке генератора 50 кВт удельная мощность той же ветроустановки составит 500 Вт/м², но при этом количество часов простоя будет больше, так как более мощные установки нуждаются в более сильном ветре для начала работы.
Оптимизация удельной мощности
Искусство оптимизации лежит в том, чтобы найти такую удельную мощность, которая даёт самый экономичный энергодоход, а именно, площадь под кривой диаграммы время/мощность. Стремятся достигнуть большой площади под диаграммой в том случае, когда цель состоит в получении возможно большего количества энергии. При этом учитывают пики энергодобычи в определённые периоды года и небольшую мощность в течение продолжительных периодов.
Опытные конструкторы ветроустановок рекомендуют:
- маловетренные области w = 30–60 Вт/м², 100 Вт/м² max;
- ветрообильные области w = 100–300 Вт/м², 500 Вт/м² max.
Верхние значения выбираются при высоких башнях, соответственно при большей высоте осей ветряков.
Если конструктор задался определённой удельной мощностью, например w = 100 Вт/м², и хочет получить определённую мощность в соответствии с номинальной скоростью ветра и достижимой для строящегося ветряка, то он может подсчитать размеры ветроустановки.
Быстроходность ветроустановки
Чем выше быстроходность ветроустановки, тем выше её мощность. Однако этот теоретический вывод ведет к более узким лопастям.
При высокой окружной скорости нет необходимости в большой хорде профиля для создания необходимой силы. Однако этот вывод ведет к статическим и динамическим проблемам. Узкие лопасти будут также и тонкими. Несушее поперечное сечение станет слишком маленьким, фактически уже не остается материала для обеспечения необходимой жесткости. Стройные лопасти склонны к изгибу, а убегающая от аэродинамики лопасть не может быть построена даже с использованием самого лучшего углепластика.
Конструктор должен искать и находить компромисс.
Современные коэффициенты быстроходности лежат в диапазоне 6–12. Конструктор сам выбирает исходную величину. Он утверждает номинальное число оборотов для номинальной мощности. Причем он держит в поле зрения всю цепочку передачи энергии ротор/редуктор/генератор, и их обороты. Окружная скорость кончика лопасти (пропеллерной ветроустановки) не должна по возможности превосходить 100 м/с. При данном диаметре установки и выбранном параметре быстроходности можно высчитать номинальное число оборотов.
Для получения стабильного переменного тока (50 Гц в Европе, 60 Гц в США) необходимо будет применять генератор с числом оборотов 1500 об/мин. Из этого можно найти передаточное отношение мультипликатора.
Вторым значением, определяющим быстроходность, является скорость ветра в точке установки ветряка. Это значение тоже должен установить конструктор. Можно исходить из самой частой в месте установки скорости, или среднегодовой, или максимальной или минимальной скорости. Это предоставлено конструктору и вытекает из исповедуемой им философии конструирования. При этом, конечно, следует брать во внимание добавку скорости ветра при увеличении высоты над поверхностью земли в зависимости от класса шероховатости местности. Очень важно при этом описание территории вокруг места установки ветряка.
Выбор номинальной скорости ветра отразится также в годовой выработке энергии. Это зависит также от распределения частот скоростей ветра в данной местности. Частоту распределения можно получить математически без измерений на местности. Для этого нужны константы, описывающие местность. Годовая выработка энергии зависит также от выбора установленной мощности.
Количество лопастей пропеллерa
При выборе количества лопастей ветряка следует учитывать, что каждая новая лопасть добавляет мощности не пропорционально.
Надо обращать внимание и на рост влияния трения при увеличении быстроходности. Наибольшая мощность достигается увеличением аэродинамического качества профиля К, а не увеличением числа лопастей (см. диаграмму).
При малом коэффициенте быстроходности, как например, в многолопастных ветряках, каждая дополнительная простая лопасть из железа приносит заметный скачок роста мощности. Большое число лопастей дают тихоходу также высокий стартовый момент, что особенно желательно для водяных насосов.
Быстроходный пропеллер с несколькими лопастями имеет проблемы при старте, вследствие незначительного стартового момента. В этом случае качество страгивания можно улучшить принудительной системой поворота лопастей. Увеличение количества лопастей дает наряду с повышением мощности сравнительное смягчение работы.
Быстроходные ветряки небольшой мощности имеют, как правило, 3 лопасти.
Комментарии