Альтернативная энергетика и энергосбережение

Цитата: ffe от 13.08.2010 18:22:02
Дано: тележка с установленным на ней ветряком.
ветер воздействует на эту конструкцию с силой 1000Н
при 0 об/мин крутящий момент на валу ветряка равен 1Н*м
диаметр колёс тележки два метра
сила трения покоя в паре "обод колеса - поверхность" 1500Н
ось ветряка и ось "ведущего" колеса связаны между собой посредством редуктора.
направление вращения колеса соответствует поступательному движению тележки против ветра
Найти:
передаточное отношение редуктора, при котором тележка будет оставаться неподвижной относительно поверхности.

Задача статики, не имеющая отношения к ветрякам, с "грязной" формулировкой: вместо "максимальная сила трения" сказано "сила трения в покое".
...да и в любой редуктор можно сунуть арматурину

Цитата: НикВик от 13.08.2010 20:29:33
Задача статики, не имеющая отношения к ветрякам

В статике специально, для упрощения, в динамике её формулировать запаришься, не то что решать. А если кто-то думает, что у неподвижного ветряка крутящий момент равен нулю... То я в этом не виноват

Цитата: НикВик от 13.08.2010 20:29:33
с "грязной" формулировкой: вместо "максимальная сила трения" сказано "сила трения в покое".
...да и в любой редуктор можно сунуть арматурину

Она "максимальная" по определению. "Трение покоя — сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга."(с)
Арматурина в условиях не упомянута. Значит подразумевается что в редукторе её нет.

Цитата: Dobryak от 13.08.2010 12:51:01 вспомним галилеевский принцип относительности об эквивалентности всех систем отчета, движущихся с постоянной скорстью и перейдем в систему отсчета, в которой пепелац покоится. В ней на пепелац с его ветряком дует ветер с некой скоростью 2*V, а сам пепелац на колесах стоит на ленте транспортера, которая уносится со скорстью 3*V по ветру.Никакого мотора у пепелаца нет, рабов
внутри тоже нет.

Вот здесь бы и вспомнить, что работа зависит от системы отсчёта.
Не просто уносится, а "трётся" о колесо. Точнее, действует на его нижнюю точку, в частности, с горизонтальной составляющей - силой трения. Пёрышкин сосчитал бы и мощность, передаваемую колесу, именно - Fтр*3V. И что этой мощи хватает, чтобы винт развивал нужную тягу - если КПД более 2/3, а сопротивления невелики.

"Более крупную модель накопителя с маховиком массой 320 килограммов Уфимцев создал в 1924 году. После зарядки маховик обеспечивал равномерное горение нескольких электроламп по 1000 свечей в течение часа. Этот накопитель Уфимцев применил на ветроэлектростанции, которая существует в городе Курске и сейчас. Все куряне знают «ветряк Уфимцева» и гордятся им.

Маховик Уфимцева, как и сверхпроводящие накопители, аккумулировал электроэнергию в периоды ее избытка, во время порывов ветра, а затем равномерно распределял ее даже при полном отсутствии ветра. Крутиться он мог без подзарядки около 14 часов, однако, по словам старожилов, еще не было такого случая, чтобы ветер за это время ни разу не подул."
Взято от сюда
http://n-t.ru/ri/gl/ek08.htm
Маховик вместо аккумулятора в этом что нибудь есть,кто нибудь сталкивался с этим?
Нурбей Гулиа пишет о нем очень восторженно.
А если маховик к солнечной батарее приладит?

Цитата: ffe от 13.08.2010 20:48:49
Она "максимальная" по определению. "Трение покоя — сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга."(с)

Скверное определение плохих учителей. Попробуйте применить его к кирпичу, лежащему на доске с малым уклоном.
Сила трения - касательная проекция полной реакции опоры (для торжественности  :D).

Цитата: ffe от 13.08.2010 19:44:40
Тележка с ветряком стоит не на убегающем транспортёре, а на... допустим она стоит на поверхности высохшего соляного озера. Ветряк не вращается, в условиях это оговорено.

А решение задачки является ответом на Ваш комментарий  Вот на этот: "С нетерпением жду отчет об эксперименте, где Ваши пара кусков платмассы стоят на тележке. Интересно только и только стационарное движение против ветра, все остальное oхмурение народа ксендзами"(с)

Ну что, может от стадии болтовни попробуем перейти к делу?

Еще раз: мне стадия разгона неинтересна, я хочу понять, существует ли стационарное движение по ветру, который относительно земли дует со скоростью V, a пепелац несется относительно земли со скоростью   k*V, где, если американцы не соврали, почти тройка.  

Что видит в этом режиме Шумахер, кого посадили рулить пепелацем? Все, что он  видит, это он сидит в тренажере, ему в морду из агеродинамической трубы дует ветер со скорoстью

U= (k-1)*V

a поверхность соляного озера  она уносится из под его ног... тьфу... из-под колес пепелаца со скоростью   k*V, т.е., вместо покоящегося пола его пепелац стоит на убегающей ленте транспортера.

Посмотрим на лопасти как на крыло. Подъемная сила  Fy тащит лопасть вбок и раскручивает, a лобовое сопротивление Fx тащит Шумахера с его пепелацем взад. Нам жалко что ли: и пепелаца никакого виоздушного сопротивления нет, у мачты тоже, и дуря намчте, кода лопасти прицеплены тоже нет. Разберемся с идеальной задачей, потом усложним.

Сила Fy приложена где-то вроде половинки длины лопасти и  скорость "подъема крыла"

Vy

и моща

Wy= Fy*Vy

Тут удобно ввести отношеное скорости подьема крыла к скорости набегающего потока

Vy = c*U

Все червяки-шестеренки у нас идеальные, и этот момент целиком передается  на колесо радуса r, которое просто обязано развивать скорость

Vx=  k*V

и должно отпихиваться от убегающего траснпортера  с силой Fx, на что требуется  моща

Wx= Fx*Vx

Пепелац стоит на месте, Шумахер в любимой позе киногероев Довженко и Солнцевой "вiтер в подлiчье" спит в своем сиденье, ветер совершает работу над крылом-лопастью, солидола нам не жалко, так что надо написать

Wx=Wy, что дает нам искомое  уравнение:

Fy*Vy = Fx*Vx

которое я перепишу как

Ка(alfa) = Fy/Fx = Vx/Vy = [к/(к-1)]*(1/с)

Отношение Ка  называется аэродинамическим качеством крыла и зависит от угла атаки alfa.


У серийных пассажирских самолетов в крейссерском полет это порадка 15, у серийных планеров доходит до полуста.


Для  коеффициента  с   я ничтоже сумнящеся написал бы просто-напросто геометрическое

с=tg(alfa)

Т.е., пепелац будет стоять на месте, если уравнение

Ка(alfa)*tg(alfa) =к/(к-1)

имеет решение.  На картинке для удобства пользователей масштаба я не вижу, но что-то в животе тикает, что может решение и существует?

Но вот тот угол атаки лопастей, что был в киношке, мне очень не нравится.....

Цитата: Dobryak от 13.08.2010 21:12:24
Посмотрим на лопасти как на крыло. Подъемная сила  Fy тащит лопасть вбок и раскручивает, a лобовое сопротивление Fx тащит Шумахера с его пепелацем взад.

Не мучайтесь дальше: подъёмная сила не перпендикулярна оси вращения, сила сопротивления не сонаправлена со скоростью телеги.

Цитата: Dobryak от 13.08.2010 21:12:24
Еще раз: мне стадия разгона неинтересна, я хочу понять, существует ли стационарное движение по ветру, который относительно земли дует со скоростью V, a пепелац несется относительно земли со скоростью   k*V, где, если американцы не соврали, почти тройка.

То есть с установившимся движением против ветра вопрос исчерпан? Сошлись на том, что оно не относится к разряду "вечных двигателей"? Собсно ради этого задачку и изобразил.

Вообще по сценарию должно было быть примерно так:
1. Добряк отвечает, что передаточное отношение редуктора в примере равно N
2. Я делаю наивное лицо и задаю детский вопрос "а что будет при 2N?"
...
4. PROFIT!!! (i have FAN!)
Но Добряк своими лопастями в крейсерском режиме всю малину обломал  :D

Цитата: Dobryak от 13.08.2010 21:12:24
но что-то в животе тикает, что может решение и существует?

Постоянно быстрее ветра? Не, у меня почему-то в животе не тикает. При движении против ветра есть внешний источник энергии - ветер. Знай себе утилизируй. Приток энергии минимален когда телега стоит на месте. И растёт по мере того, как растёт скорость телеги относительно земли. Растёт и сопротивление движению. При достижении телегой некоторой скорости Vt=k*V (V - скорость ветра относительно земли, k<1) получаем установившийся режим.
При движении же быстрее ветра наоборот - приходится расходовать внутреннюю энергию. А "подпитки" извне нет, одни убытки. Результат известен заранее, "батарейка" рано или поздно сядет и её придётся подзаряжать.

Цитата: Юрий от 13.08.2010 14:51:30
...
Соответственно делаем вывод: Всей мощности АЭС недостаточно даже, чтобы полноценно заменить солнечное освещение даже на ее собственной территории в ясный солнечный день, если вдруг неожиданно отключат солнце.
...

Интересно, а если на площади 4.5 км2 поглотить и направить "в сторону" не то что 100%, а хотя бы 50% всего солнечного излучения, не получится ли там некая могучая погодная аномалия? Т.е. образуется локальная зима, задует нехилый ветерок и т.п.

Цитата: dmitrik62 от 13.08.2010 22:41:58
Интересно, а если на площади 4.5 км2 поглотить и направить "в сторону" не то что 100%, а хотя бы 50% всего солнечного излучения, не получится ли там некая могучая погодная аномалия? Т.е. образуется локальная зима, задует нехилый ветерок и т.п.

Читаем где-то в глубинах этой ветки про солнечные ЭС. Ничего не будет

Цитата: ffe от 13.08.2010 22:31:10
Но Добряк своими лопастями в крейсерском режиме всю малину обломал  :D
Постоянно быстрее ветра? Не, у меня почему-то в животе не тикает. При движении против ветра есть внешний источник энергии - ветер. При движении же быстрее ветра наоборот - приходится расходовать внутреннюю энергию. А "подпитки" извне нет, одни убытки.

Тьфу-ты-нуты >:(
Внешний источник есть, это - движение "беговой дорожки" под колёсами с бОльшей скоростью. Иль Вам незнакомы основы "шпагатной" передачи? Непременно нужен приводной ремень?
Механику наш гуру знает на троечку. И особенно это проявляется в возражениях...

Крыло - всего лишь устройство, изменяющее направление полной аэродинамической сила по сравнению с направлением набегающего потока.
Вот как должен двигаться кусок лопасти, чтобы мощность винта была положительной в системе отсчёта "Земля" -

Цитата: НикВик от 13.08.2010 22:59:23
Тьфу-ты-нуты >:(
Внешний источник есть, это - движение "беговой дорожки" под колёсами с бОльшей скоростью. Иль Вам незнакомы основы "шпагатной" передачи? Непременно нужен приводной ремень?
Механику наш гуру знает на троечку. И особенно это проявляется в возражениях...

Какие-то дорожки, шпагатные передачи... Вааще ничё не понимаю ???
Где в видеофрагменте "беговая дорожка"? Её там нет.

Цитата: ffe от 13.08.2010 23:23:00
Какие-то дорожки, шпагатные передачи... Вааще ничё не понимаю ???
Где в видеофрагменте "беговая дорожка"? Её там нет.

Относительно телеги под ней бежит назад дорога со скоростью 3V. Вот она-то и вращает колёса. Есть ещё встречный ветерок, 2V. Вот в него-то и ввинчивается винт, расходуя мощность, полученную от колёс. С силой тяги, бОльшей силы трения на всякие дополнительные сопротивления.

Цитата: НикВик от 13.08.2010 23:50:06
Относительно телеги под ней бежит назад дорога со скоростью 3V. Вот она-то и вращает колёса. Есть ещё встречный ветерок, 2V. Вот в него-то и ввинчивается винт, расходуя мощность, полученную от колёс. С силой тяги, бОльшей силы трения на всякие дополнительные сопротивления.

А, вон оно чё. Ну так бы сразу и сказали, а то беговые дорожки да шпагаты, непонятно же.
Да, ещё вопросец возник. Даже три. То, что дорога вращает колёса эт понятно, работа у неё такая. А колёса при этом не тормозят дорогу? Что будет, если дорога, не дай бог, совсем остановится? И с винтом непонятки. У него КПД равен единице? Наверное всё ж чуток поменее, 0.5-0.6, в лучшем случае. Ну и третий вопрос. Есть ли предел скорости у этой чудо-колесницы?

зы. Получается что такой телеге и ветер-то не нужен. Зачем он ей?! Пнул ногой сзади, для ускорения, запрыгнул в люльку и помчался. Красота!

Цитата: ffe от 14.08.2010 00:12:52
Даже три. То, что дорога вращает колёса эт понятно, работа у неё такая. А колёса при этом не тормозят дорогу? Что будет, если дорога, не дай бог, совсем остановится? И с винтом непонятки. У него КПД равен единице? Наверное всё ж чуток поменее, 0.5-0.6, в лучшем случае. Ну и третий вопрос. Есть ли предел скорости у этой чудо-колесницы?

Предел скорости "нарисован" на моей картинке.
На мускололётах, летающих примерно с такими скоростями, КПД винта - около 80%.

Цитата: НикВик от 14.08.2010 00:25:09
На мускололётах, летающих примерно с такими скоростями, КПД винта - около 80%.

Где-то была у меня книжка, про проектирование СЛА, советских ещё годов. Мне помнится там для двухлопастного винта указывалось несколько меньшее значение. Может склероз...
Не буду спорить, возможно и 80%, не суть важно. Важно что на круг прихода нет, только расход. И встречный ветер в данном случае не помошник

Из-за размера материала придется разбить на части:

Часть 1:


Еще перед ВОВ был выпущен фантастически интересный том "Седовцы" с воспоминаниями участников того беспримерного дрейфа. На зажатом льдами корабле жестоко экономили горючее и пытались завести ветроэлектростанцию, и об энтузиастах был сложен стишок:

Ветродуйная артель
Затянула канитель.
Говорят, для ветряка
Не хватает червяка.

Прилагается удачно вовремя совершенно блестящий обзор эксперта в вопросе

ВЭУ с вертикальной осью вращения: сравнительная оценка технических решений и перспективы развития

На первом рисунке: проект оффшорного ветропарка на базе ВО ВЭУ


Темпы развития мировой ветроэнергетики впечатляют даже узкий круг специалистов, работающих в данной области. Так, установленная мощность ветроэлектрических установок (ВЭУ) в мире по итогам 2008 г. составила более 120824 МВт. Наряду с победным шествием горизонтально-осевых установок мегаваттного класса, в последние годы вновь пробудился интерес к более простым по конструкции устройствам с вертикальной осью вращения, обладающим несколькими неоспоримыми достоинствами.

Краткий исторический экскурс

Ветряки с вертикальной осью вращения известны человечеству с незапамятных времен. Наиболее древний документ, дошедший до нашего времени, в котором упоминается такое устройство, датируется не очень точно и относится к периоду 500-900 годами н.э. В документе описывается персидский механизм, применявшемся для подъема воды и помола зерна. Позже такой ветродвигатель получил латинское название «panemone», что означает: вращается при любом направлении ветра.

Ветряные двигатели с вертикальной осью использовались и в Китае, который часто упоминается, как место их рождения. Широко распространена версия о том, что ветряная мельница была изобретена в Китае больше 2000 лет назад, однако наиболее раннее документальное упоминание датируется 1219 годом н.э. и принадлежит одному из китайских государственных деятелей. В документе также отмечено, что ветродвигатель, очевидно, применялся для размола зерна и перекачивания воды.

Первые ветродвигатели с вертикальной осью вращения


Этапы новейшей истории развития ветродвигателей с вертикальной осью вращения отмечены патентами на конструкции, успешно используемые в настоящее время:
- ротор Савониуса (С.Ж. Савониус, Финляндия, 1922 г., рис. 2а);
- ротор Даррье (Ж. Ж.-М. Дарриус, Франция, 1931 г., рис. 2б);
- ротор Масгрова (П. Масгров, Великобритания, 1975 г., рис. 2в);
- ротор «Виндсайт» (Р. Йутсиниеми, Финляндия, 1979 г., рис. 2г);
- геликоидная турбина Горлова ****(А. Горлов, США, 2001 г.), которую с незначительными отличиями воспроизводят турбины ВЭУ «Tvister», «Turby», «Quitrevolution» (рис. 2д). и др.

[Примечание: о Горлове писалось на "Как оно тикает"]

Этапы новейшей истории ветродвигателей с вертикальной осью вращения


Принцип действия

Преобразование энергии в современных ВЭУ осуществляется в два этапа: кинетическая энергия движущейся воздушной массы (ветра) сначала преобразуется в механическую энергию, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую. Для преобразования энергии ветра в механическую энергию применяются аэромеханические устройства, которые в соответствии с российским стандартом принято называть ветродвигателями. За рубежом при разговоре об аналогичных устройствах чаще всего пользуются термином ветротурбина.

Ветродвигатель отбирает у движущейся с некоторой скоростью воздушной массы только часть ее кинетической энергии, а величина этой части зависит от принципа действия установки, габаритов активной части и режима работы. Известны два основных способа отбора мощности у движущегося воздушного потока, на которых базируется работа современных ветродвигателей.
В первом способе используется феномен подъемной силы крыла, имеющего в сечении соответствующий аэродинамический профиль и находящегося в движущемся потоке воздуха. Для простоты назовем их «ветродвигатели подъемной силы».

В основе второго способа лежит дифференциальное (неодинаковое) лобовое сопротивление твердого тела несимметричной формы, при его различной ориентации относительно направления воздушного потока. Назовем их «ветродвигатели дифференциального лобового сопротивления».

Существуют также многочисленные конструкции, которые сочетают в себе два вышеуказанных способа в различном процентном соотношении.

Для того чтобы производить сравнительную оценку технических решений, в ветроэнергетике выработаны критерии, характеризующие энергетическую эффективность конструкции и режим работы: коэффициент использования энергии ветра и быстроходность, соответственно.

Под коэффициент использования энергии ветра понимается отношение механической мощности, развиваемой ветродвигателем, к механической мощности воздушного потока, протекающего через пространство, ометаемое рабочими поверхностями (крыльями или лопастями) этого ветродвигателя. В международной ветроэнергетике принято обозначать коэффициент использования энергии ветра Ср и называть «Си Пи фактор». Теоретически доказано, что для идеального ветродвигателя, в котором не учитываются никакие потери, величина Ср не может быть более 0,593. Это число получило название лимит Бетца и по определению является величиной безразмерной.

Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости наиболее удаленной от оси вращения ветродвигателя точки крыла (определяемое радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра, которое принято обозначать символом . Быстроходность по определению является величиной безразмерной. Считается, что ветродвигатель тихоходный, если  < 2, и быстроходный, если  4.

Вертикально-осевые ветродвигатели «подъемной силы»

На рисунке 3 показаны: устройство простейшего ортогонального ветродвигателя, треугольники скоростей и силы, действующие на лопасть в зависимости от ее положения относительно направления ветра.

Рис. 3 Работа конструкции, использующей подъемную силу крыла.


U – скорость ветра, V – тангенциальная скорость перемещения лопасти; W - суммарная («кажущаяся») скорость воздушного потока, взаимодействующего с лопастью;  – угол атаки; Т – сила, создающая крутящий момент; N – сила, приложенная к траверсе, соединяющей лопасть с валом установки; L – подъемная сила лопасти ; D – сила лобового сопротивления лопасти

Ветродвигатель такой конструкции имеет пульсирующий крутящий момент и для ввода при некотором значении быстроходности в режим авторотации чаще всего требует раскрутки внешним двигателем.

При увеличении количества лопастей до трех и их закрутке вокруг оси ротора (геликоидный ротор), Ср увеличивается от 0,3 до 0,4. Крутящий момент становится постоянным независимо от положения лопастей относительно направления ветра, и достаточно регулярно наблюдается самозапуск на холостом ходу при скоростях ветра 3 м/с и выше. Оптимальный режим работы данных ветродвигателей (максимальное значение Ср) достигается при значениях l от 4 до 5 единиц. Увеличение количества лопастей ротора более пяти, как правило, приводит к снижению быстроходности и уменьшению Ср.


Многообразие конструкций современных вертикально-осевых ветродвигателей, использующих для создания крутящего момента подъемную силу крыла


Следует отметить, что вращение турбин приведенных конструкций наблюдается при любом направлении ветра, и они не нуждаются в устройствах ориентации и дополнительных трансмиссиях, снижающих уровень надежности. Это одно из основных преимуществ установок данного типа при сравнении с горизонтально-осевыми ВЭУ.
Однако продолжают появляться новые схемы вертикально-осевых ВЭУ, в частности установка «с качающимся крылом», в которой углы атаки крыльев в зависимости от направления ветра изменяются при помощи несложной кинематики, принцип действия которой понятен из рисунка ниже. Наличие вспомогательных механизмов, с дополнительными потерями на трение, которые к тому же требуют периодического осмотра и ремонта, нейтрализует эффект, получаемый от оптимизации углов атаки крыльев, расположенных в набегающем воздушном потоке. Производство таких установок значительными сериями не ведется.



Пример конструкции вертикально-осевая ветротурбины с наведением на ветер


Вертикально-осевые ветродвигателя «дифференциального лобового сопротивления»
Первые ветродвигатели с вертикальной осью работали, используя данный принцип, который заключается в том, что твердое тело несимметричной формы (например, полусфера) при различной ориентации в потоке воздуха (жидкости), обладающего постоянной скоростью V, взаимодействуют с потоком с различными усилиями Fлс1 и Fлс2 соответственно. Давление ветра на полусферу, ориентированную к нему вогнутой частью, более чем в 4 раза превышает давление на ту же полусферу, ориентированную к ветру выпуклой частью. При этом площадь сечения тел одинакова. Если полусферы закрепить на траверсе с двух сторон симметрично относительно оси вращения, то при взаимодействии с движущейся воздушной массой появляется крутящий момент, и устройство будет вращаться с некоторой частотой w

Принцип действия ветродвигателя «дифференциального лобового сопротивления»


Величина крутящего момента зависит от разницы усилий, воздействующих на тела, расположенные по разные стороны от оси вращения, а эти усилия определяются скоростью ветра, размерами тел (площадью лобового сечения) и коэффициентом лобового сопротивления.
Среди ветродвигателей, действующих по принципу дифференциального лобового сопротивления, наиболее известны ротор Савониуса и его модификация – ротор Виндсайт. Машины просто устроены, работают даже при очень низких скоростях ветра, но обладают невысоким Ср. Максимально значение Ср для ротора Савониуса, приведенное в источниках, равно 0,25. Номинальная быстроходность этих турбин, как правило, меньше единицы, и они имеют относительно высокий пусковой момент.



Разнообразие конструкций ветродвигателей, работающих по принципу дифференциального лобового сопротивления


Комбинированные вертикально-осевые ветродвигатели
Наряду с двумя рассмотренными основными группами вертикально-осевых ветродвигателей, выпускаемых серийно, имеются установки, в которых сочетаются два описанных принципа действия.


Конструкции ветродвигателей, использующих для создания крутящего момента комбинацию феноменов подъемной силы крыла и дифференциального лобового сопротивления



В установках, приведенных на рисунках а), б) и г), в зависимости от положения каждой лопасти относительно направления ветра проявляются либо эффект подъемной силы, либо эффект дифференциального аэродинамического сопротивления. В установке, показанной на рисунке в), ротор Савониуса используется для раскрутки ротора Даррье до необходимой быстроходности.



Вертикально-осевые установки «циклоидного» типа с наведением на ветер. а) – ВЭУ, построенная марокканскими студентами под руководством автора в 1995 г. (фото автора); б) – ВЭУ, серийно выпускаемые китайскими производителями в 2010 г.


В устройствах, показанных на рисунке выше, система ориентации на ветер постоянно обеспечивает максимальное лобовое сопротивление лопасти, движущейся по ветру, и минимальное лобовое сопротивление лопасти, движущейся против ветра. В промежуточных положениях работает подъемная сила крыла. Для правильной ориентации лопастей они связаны между собой либо трансмиссией с зубчатым ремнем, либо трансмиссией с зубчатыми колесами. Устройство с трансмиссией, использующей конические зубчатые колеса, было реализовано автором в 1995 г. (рис. а). Позже в 2000 г. детальному исследованию в аэродинамической трубе была подвержена масштабная модель аналогичного по принципу действия двухлопастного устройства. Результаты исследования показали, что Ср системы не превышает 0,2; после чего эксперименты с данной конструкцией были прекращены. Однако китайские производители ВЭУ (рис. б) в настоящее время поставляют на рынок аналогичные установки мощностями 3, 5 и 10 кВт при скоростях ветра 9, 10 и 10 м/с соответственно.

Из-за размера материала придется разбить на части:

Часть 2:


ВЭУ с вертикальной осью вращения: сравнительная оценка технических решений и перспективы развития


Энергетические характеристики

Основные свойства любого ветродвигателя достаточно полно описываются зависимостью Ср = f(l), которая называется его главной энергетической характеристикой. На рисунке 8 приведены главные энергетические характеристики ряда распространенных ветродвигателей.

Ветроэнергетикам хорошо известно, что Ср £0,593 , что было теоретически доказано нашими российскими учеными (Сабинин и др.) еще в 1914 г., но за рубежом доказательство было опубликовано в 1924 году немецким физиком Бетцем, и величина 0,593 носит название «предел Бетца».

Рис. 10 Главные энергетические характеристики наиболее распространенных ветродвигателей


Из рисунка очень хорошо видно, что вертикально-осевые ветротурбины, использующие для создания крутящего момента подъемную силу крыла, имеют Ср по величине, очень близкий к показателю быстроходных малолопастных ветроколес с горизонтальной осью вращения. Это обстоятельство наряду с относительной простотой конструкции и отсутствием необходимости наведения на ветер, является причиной современного возрождения интереса к вертикально-осевым ветродвигателям.

Рис. 11 Пример представления технических характеристик на сайте производителя (Китай)


Не менее важной характеристикой вертикально-осевого (как, впрочем, и любого другого) ветродвигателя, является кривая развиваемой мощности, представляющая собой зависимость выходной электрической мощности установки от скорости ветра. Серьезные производители ВЭУ обязательно приводят такую кривую в технических характеристиках своей продукции, так как говорить о мощности установки в отрыве от скорости ветра не имеет смысла. При наличии статистики по частотам повторяемости скоростей ветра для интересующей нас местности кривая развиваемой мощности позволяет произвести довольно точный расчет выработки электроэнергии.

Рис. 12 Примеры кривых выходной мощности двух ВЭУ с вертикальной осью вращения


Тенденции развития вертикально-осевых ВЭУ

Современная волна интереса к вертикально-осевым ВЭУ объясняется рядом объективных причин:
- практически исчерпанные резервы развития горизонтально-осевых ВЭУ (как концептуально, так и технически - более крупные установки строить при современном уровне развития технологий уже невозможно);
- относительно высокие энергетические характеристики отдельных конструкций ВО ВЭУ при значительно более простой конструкции, не требующей в большинстве случаев наведения на ветер;
- относительно низкий уровень шумов и вибраций.
Обозначим некоторые тенденции, наблюдаемые в области проектирования, производства и эксплуатации ВО ВЭУ в настоящее время.
Широкое использование компьютерного моделирования. Успехи в развитии современных математических методов и программных средств, позволяют производить достаточно точные проектные расчеты при наличии существенно турбулентных процессов, имеющих место при работе ВЭУ данного типа. На рисунке ниже приведены характерные формы представления результатов применения программных средств, реализующих метод конечных элементов для расчета поля скоростей воздушного потока, проходящего через сечение ротора ВО ВЭУ. Именно благодаря компьютерному моделированию рассматриваемая область ветроэнергетики получила мощный толчок развития.

Рис. 13 Типичное представление результатов аэродинамического расчета методом конечных элементов


Постоянное совершенствование конструкций ВО ВЭУ. Наряду с использованием новых конфигураций лопастей в области ВО ВЭУ появилась тенденция введения механизации крыла. В случае, если в установке применяется прямое крыло, имеется возможность реализовать комбинацию Савониус-Даррье для работы в различных режимах:

Рис. 14 Вариант механизации крыла ВО ВЭУ


Разделение ВО ВЭУ на две группы по соотношению высоты ротора  к диаметру. Анализ существующих конструкций ВО ВЭУ показывает, что с увеличением установленной мощности наблюдается тенденция к увеличению диаметра ротора при одновременном снижении частоты его вращения. Чем больше габариты ротора, тем сложнее осуществить его аэродинамическую симметрию и балансировку, что на высоких частотах вращения чревато возникновением значительных вибраций, которые могут привести к разрушению конструкции.
На рисунке 12 приведены наиболее часто встречающиеся пропорции ВО ВЭУ, в сравнении с горизонтально-осевыми установками.

Рис. 15 Пропорции ВО ВЭУ


Строительство оффшорных ветропарков на базе ВО ВЭУ. Важнейшей тенденцией, наблюдаемой в современной ветроэнергетике, является строительство ветропарков на континентальном шельфе. Строительство ветропарка вообще выгоднее, чем строительство отдельной ветроэлектростанции. Оффшорные парки позволяют решить более широкий круг проблем, в частности требования по шумам и вибрациям сводятся до минимума, а стробоскопический эффект вообще не учитывается. Плюс к тому в береговой зоне, как правило, наблюдаются устойчивые ветры с достаточными скоростями. До недавнего времени в оффшорных ветропарках применялись исключительно горизонтально-осевые ВЭУ. Совсем недавно в Интернете опубликована информация о предстоящем строительстве объекта установленной мощностью 10 МВт на базе вертикально-осевых установок.

Мощное ускорение китайских производителей. Еще три-четыре года назад найти рекламу китайского предприятия по производству ВЭУ в Интернете было практически невозможно. Сегодня на первых тридцати страницах поиска по теме ВО ВЭУ среди китайских предприятий изредка проскальзывают американские и европейские. Характерной чертой китайской ветроэнергетики является то, что в производство запускается любое устройство, способное производить электроэнергию из энергии ветра независимо от принципа действия и величины Ср. Цены на китайскую продукцию значительно ниже, но и качество пока оставляет желать лучшего. Однако всем нам известен объективный закон перехода количества в качество, согласно которому в ближайшие годы следует ожидать появления нового мирового лидера в области ветроэнергетики. Как отмечалось выше, уже сегодня Китай вышел на второе место в мире по установленной мощности ВЭУ.

Наши скромные достижения

Научно-исследовательская лаборатория технологий энергетики возобновляемых источников Международного института компьютерных технологий (НИЛ ТЭВИ МИКТ, г. Воронеж) совместно с учебно-исследовательской лабораторией альтернативных энергетических технологий и установок (УИЛ АЭТУ) Воронежского государственного технического университета в течение ряда лет проводит исследования в области ВО ВЭУ. Под руководством автора в лабораториях произведены продувки масштабных моделей ряда роторов.

Рис. 17 Разновидности исследованных моделей роторов (фото автора)


В результате проведенных исследований по заказу ЗАО «Балтийский станкостроительный завод» разработана перспективная конструкция ВО ВЭУ, демонстрационный масштабный образец которой в настоящее время находится в стадии изготовления.
Рабочая установка имеет оригинальную конструкцию лопасти из композитного материала, магнитный подвес ротора и многополюсный генератор прямого привода с возбуждением от постоянных магнитов. Преобразование энергии осуществляется по схеме: ветротурбина – синхронный генератор – регулируемый выпрямитель – буферный накопитель энергии – инвертор – потребители или сеть.
Фирма ВЕСТАС, которая занимает значительную долю мирового рынка ВЭУ, прошла тридцатипятилетний путь в поисках этой схемы, которая сегодня считается наиболее перспективной.
Приемлемый КПД устройства обеспечивается путем регулирования нагрузки в зависимости от (скорости ветра или крутящего момента) и использованием пассивного магнитного подвеса, который в настоящее время довольно широко начинает применяться в таких конструкциях.
На рис. ниже показаны полуфабрикаты лопастей модели ротора и 3D-образ демонстрационного макета.

Рис. 18 Перспективная разработка ВО ВЭУ: а) – заготовка лопасти (фото автора); б) – модель ВОВЭУ в работе (фото автора); в – демонстрационный образец 1,5 кВт


В будущем для увеличения мощности ВО ВЭУ потребуются либо спецгенераторы, либо мультипликаторы. Основные сложности, как обычно, будут связаны прежде всего с тем, что надежность серийного генератора и мультипликатора должна быть на уровне аэрокосмической техники. И то и другое в России не производится, а настраивать такое производство необходимо сегодня. Иначе завтра мы будем кормить зарубежных производителей и из этой отрасли, проедая небезграничные богатства наших подземных кладовых.

Павел Беляков, к.т.н., доцент, профессор каф. электроэнергетики Международного института компьютерных технологий (г. Воронеж); доцент каф. электромеханических систем и электроснабжения Воронежского государственного технического университета

Автор приносит свои извинения специалистам в области ветроэнергетики за упрощенное изложение материала и неполное соответствие терминологии, так как статья носит скорее популярный, чем научный характер

Вы патентованный неуч
Продолжая обмен любезностями с жителем аула, уточню его место в моей классификации. ""Знать-то он знает, но не понимает

Цитата: ffe от 14.08.2010 00:39:08
Где-то была у меня книжка, про проектирование СЛА, советских ещё годов. Мне помнится там для двухлопастного винта указывалось несколько меньшее значение. Может склероз...
Не буду спорить, возможно и 80%, не суть важно. Важно что на круг прихода нет, только расход. И встречный ветер в данном случае не помошник

Я посмотрел, счётом, как связаны К и КПД винта. В частности, КПД 0.75 получается для скромного К=7. Это - очень хороший винт. Дело, в частности, в том, что разные участки лопасти движутся с разными "курсовыми" углами (шаг одинаков, поперечная скорость растёт с радиусом).

Теперь - насчёт отсутствия "прихода". Попробуйте разобраться, откуда черпает мощность вело-динамка на переднем, ведомом колесе. Для простоты - встроенная во втулку, как у моего велика...

Цитата: ПолУхим
Уважаемый Добряк! Замечательный материал, но почему нет в нём технико-экономического анализа для вящей, так сказать, убедительности? Очень интересны срок службы, стоимость 1 кВТ-ч.

Да пока не будет крупномасштабных ветростанций такого типа, рано говорить