I. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

Неравномерный нагрев лучами солнца земной поверхности и воздушных масс, находящихся над ней, вызывает постоянные перемещения воздуха из более холодных мест в более теплые. Воздушные массы, наг-ретые до более высоких температур, имеют меньшую плотность и поднимаются вверх, а на их место приходит воздух с меньшей температурой, плотность которого выше. Таким образом, воздушные массы все время перемешиваются и перемещаются как в вертикальном направлении, так и параллельно земной поверхности. Эти перемещения носят очень сложный характер и зависят от многих причин.

Постоянные перемещения воздушных масс в горизонтальных направлениях называются ветром. Как и всякое движущееся тело, ветер обладает определенным запасом кинетической энергии, которая с помощью специальных двигателей, получивших название ветряных, может быть преобразована в механическую работу.

Ветер характеризуется скоростью и на-

Скорость ветраПрЭВЛеНИеМ.

Скорость ветра выражается длиной пути, который проходят частицы движущихся воздушных масс за 1 секунду. Она измеряется в метрах в секунду (м/сек) и обычно обозначается латинской буквой V (вэ). Скорость ветра является одной из основных характеристик воздушного потока, так как определяет его энергию. Чем больше скорость ветра, тем больше и энергия, заключенная в потоке.

Для измерения скорости ветра применяются специальные приборы: флюгеры, анемометры и другие.

Простейшим прибором является флюгер Вильда, изображенный на рисунке l.Ero можно изготовить собственными силами. Устройство флюгера следующее: к штоку I жестко прикреплена флюгарка 2, которая при изменении направления ветра устанавливает плоскость металлической пластинки 5 перпендикулярно направлению потока.

Пластинка^ имеет возможность качаться относительно горизонтальной оси 4. 6«

Угол отклонения пластинки зависит от величины давления на нее ветрового потока. Этот угол тем больше, чем выше скорость ветра. Пластинка имеет размеры 150x300 мм и может быть из-

Рис. 1. Флюгер Вильда: 7 — шток, 2 — флюпрча, 3 — пластинка. 4 — горизонтальная ось. ■? - сектор.

готовлена весом в 200 г (для районов с небольшими среднегодовыми скоростями ветра) или 800 г (для районов, где среднегодовые скорости ветра составляют 6 м в секунду и выше и часто дуют ураганные и буревые ветры).

В зависимости от того, против какого номера штифта сектора 5 устанавливается при отклонении пластинка, судят о том, какова в данный момент скорость ветра. Для этого можно воспользоваться таблицей I.

Более точно скорость ветра можно определить с помощью анемометра. При отсутствии флюгера Вильда или анемометра приближенное определение средней скорости ветра может быть сделано по различным внешним признакам на местности по таблице 2.

Таблица 1

Таблица для определения скоростей ветра по показаниям iiфлюгера Вильда

Таблиц». 2

Таблица для определения скорости ветра по внешним признакам

Характер ветра

Скорость ветра м/сек;

Признаки

Очень легкий

Легкий Умеренный

Свежий Очень свежий

Сильный

Резкий Буря

Сильная буря

Энергия ветра

ПО формуле:

0-1 1-3

4-5

6-7

8—9 10-11

12—14

15-16 17-19 20-23

Движение воздуха незаметно Движение воздуха едва заметно, шелестят листья.

Ветки качаются. Дым плавает в воздухе, сохраняя очертания клубов. Сучья гнутся. Ветер .слизывает дым с трубы и быстро перемешивает его в однородную массу. Поднимается пыль. Верхушки деревьев шумят, качаются. Тонкие стволы деревьев гнутся. Завывание ветра в трубах. Листья срываются. Песок поднимается, на стоячей воде поднимаются волны с опрокидыванием гребней. Тонкие сучья ломаются, затруднено передвижение против ветра. Толстые сучья ломаются, сдвигаются с места черепицы на крышах. Тонкие деревья ломаются.

Кинетическая энергия Т, квторой обладает воздушный поток, зависит от его массы m и скорости и может быть определена

Т = -

[кгм]

(1)

Если в эту формулу подставить значение массы воздуха, протекающей через ветроколесо двигателя за 1 секунду, то получим выражение для секундной энергии потока, или, что то же самое, для его мощности:

NnoTOK = -Р • Р • [кгм/сек], (2)

где: р =

F =

--массовая плотность воздуха

^ туре 15°Ц и давлении О, 125 кгсек7м*;

равная при темпера-760 мм ртутного столба

-ометаемая ветроколесом поверхность (м^); V —скорость ветра (м/сек);

7 —удельный вес, т. е. вес одного кубического метра

воз-

духа (кг/м^); g —ускорение земного тяготения, равное 9,81 м/сек^; D —диаметр ветроколеса (м).

Из этой формулы видно, что секундная энергия мощность потока пропорциональна кубу скорости, т. е. если скорость ветра увеличилась, например, в два раза, то энергия воздушного потока возрастает в 2^ = 2-2-2=8 раз. Мощность, развиваемая ветродвигателем, изменяется также пропорционально квадрату диаметра ветроколеса, т. е. при увеличении диаметра в 2 раза, мощность при той же скорости ветра увеличивается в 4 раза.

Однако в механическую работу можно превратить только часть энергии потока, протекающего через ветроколесо. Другая часть энергии теряется на трение воздушных частиц а различные потери, так как ветроколесо оказывает сопротивление движению воздушных частиц. Кроме того, значительная часть эпср-!ии содержится в воздушном пог(5ке, 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 кулю и чтс наилучший режим работы ветродвигателя будет иметь место том случае, когда скорость непосредственно за ветроколесом составляет 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 6 (кси). Мощность (в лошадиных силах) ветродвигателя на валу ветроколеса, т. е. без учета тютерь в передачах и подшипниках, может быть подсчитана по формуле:

Коэффициент использования энергии ветра

N =

р • V3 . F • I

2 . 75

[л. с]

^3)

Для нормальных условий, т. е. при температуре 15° Ц и давлении 760 мм pTjTHoro столба, мощность можетрассчитываться по

упрощенной формуле:

N =

1530

-1л. С.)

или в киловаттах

N =

:^080

[квт]

(4)

(5)

Величина коэффициента использования энергии ветра i 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, i - 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.

Крыльчатые ветроЛвигатели получили преимущественное распространение и только, они выпускаются промышленностью. Крыльчатые двигатели делятся на быстроходные (малолопастные), с числом лопастей до 4 и тихоходные (многолопастные), имеющие от 4 до 24 лопастей, а в некоторых случаях и больше.

Чем меньше число лопастей,

ве^р^^г^тмея темприпрочихравныхусловиях 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 к таким быстроходным маши-

0.2 Ш

at

нам, как, например, электрический генератор. Кроме того, быстроходные ветродвигатели, как правило, более легкие, чем тихоходные и, как указывалось выше, имеют более высокий коэффициент использования энергии ветра. Однако у них имеется и недостаток, заключающийся в том, что их начальный момент тро-гания, т. е. вращающий

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

Рис. 2. Аэродинамические характеристики тихоходного 18-.топастного и быстроходного 3-лопастного ветроколес. Пунктирные линии — 18-лопастное ветроколесо, сплошные —3-лопастное ветроколесо.

ь

момент, развиваемый на неподвижном ветроколесе, при одинаковых диаметрах ветроколес и скорости ветра в несколько раз меньше, чем у тихоходных ветроколес. На рисунке 2 приведены для сравнения аэродинамические характеристики двух одинаковых по диаметру ветроколес, одно из которых имеет 3, а другое — 18 лопастей.

По горизонтальной оси на этом графике отложена быстроходность, или число модулей Z ветроколеса.

Эта величина определяется отношением окружной скорости <oR конца лопасти к скорости V ветра, набегающего иа ветроколесо:

По вертикальной оси отложены значения коэффициентов использования энергии ветра и относительных вращающих моментов М. Для того чтобы получить величину действительного вращающего момента, надо М умножить па •:jRV^--, т. е.

М = М^^Чкгм1

(7)

На рисунке 2 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 t 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, что очень важно для эксплуатации, так как возможное число часов работы ветродвигателя увеличивается.

Крыльчатые ветродвигатели работают за "виродвига^м^" счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях ветроколеса, при набегании на них воздушного потока. Так же, как и на крыльях самолета, на крыльях ветроколеса возникают подъемная сила и сила сопротивления поверхности. Подъемная сила и создает вращающий момент на ветроколесе.

Для того чтобы лучше использовать энергию ветра, т. е. получить ббльшую мощность, крыльям придают обтекаемые, аэродинамические профили, а углы заклинения делают переменными вдоль лопасти (на конце — меньше, а ближе к валу — большие углы).t

На рисунке 3 дана схема крыльчатого ветроколеса, а рисунок 4 поясняет принцип работы крыла. Крыло ветроколеса состоит из трех основных узлов: лопасти / и маха 2, с помощью