Лабораторная работа №2
Исследование энергетических характеристик ветроприёмников
Цели работы
1.1 Практическое знакомство с методами исследований энергетических
характеристик ветроприёмников.
1.2 Получение экспериментальных энергетических характеристик раз-
личных ветроприёмников.
Краткие теоретические сведения
Преобразование кинетической энергии ветра в полезную механическую мощность осуществляется с помощью специальных устройств, получивших название ветродвигатели. Принцип действия подавляющего числа ветродвигателей базируется на аэродинамических свойствах взаимодействующих с воздушным потоком элементов – крыльев или лопастей. В зависимости от конкретного конструктивного исполнения ветродвигатели обычно делятся на две основные группы: ветроколёса и роторы. В зарубежной литературе ветродвигатели называют ветротурбинами или ветроприёмниками.
Получаемая механическая энергия может быть использована непосредственно для перемещения транспортных средств (парусные суда, буеры), совершения механической работы (ветряные мельницы и водокачки) или после преобразования в электрическую энергию. Однако следует иметь в виду то, что каждое последующее преобразование энергии увеличивает её потери и уменьшает общий коэффициент полезного действия установки.
Порядок выполнения
3.1. Ознакомится с конструкцией стенда.
3.2. Установить в аэродинамическую трубу модель ротора Савониса и измерить его диаметр и высоту.
3.3. Выполнеить все необходимые электрические соединения и привести модель ветроколеса во вращение, плавно изменяя напряжения питания на приводе аэродинамической трубы при помощи ЛАТРа.
3.4 Для данного значения скорости ветра проведите измерение момента на валу (Мр) и частоты вращения (nр) ветроколеса (3…5 измерений). Регулирование нагрузки на валу ветроколеса осуществляется изменением напряжения питания моментомера. Определение частоты вращения ветроприёмника производится с помощью секундомера и счётчика оборотов. Результаты измерений заносятся в таблицу. Повторить опыт для других скоростей ветра (3…4 раза).
3.5 По полученным в ходе измерении значениям (v, nр, Мр), используя формулы рассчитать мощность ветроколеса (Рр), мощность воздушного потока (Рвп), коэффициент использования энергии ветра (η). Результаты измерений и расчётов занести в таблицу.
Таблица – Результаты измерений и расчетов:
№ опыта | v, м/с | nр, об/с | Мр, гсм | Мр, н·м | Рр, Вт | Рвп, Вт | η,о.е. |
0,31 | 58,4 | 76,013 | 0,77 | ||||
0,39 | 73,4 | 0,96 | |||||
0,47 | 73,7 | 0,97 | |||||
0,63 | 39,6 | 0,52 | |||||
0,23 | 80,8 | 208,5 | 0,38 | ||||
0,31 | 93,4 | 0,44 | |||||
0,39 | 105,3 | 0,50 | |||||
0,47 | 82,6 | 0,39 |
Необходимые для расчетов формулы:
Pр = ωрMр = 2πnрMр,
Pвп = 0.5ρSv3,
S = hD, ρ = 1,215 кг/м3
ξ = Pр/ Pвп.
3.6 Построить основную энергетическую характеристику исследуемого ротора, проанализировать её и сделать выводы.
3.7 Повторить пункты 3.3 – 3.6 для других моделей ветроприёмников.
3.8 Провести сравнительный анализ энергетических характеристик исследованных ветроприёмников и сделать выводы.
4. Контрольные вопросы
4.1 Приведите выражение для расчёта удельной мощности воздушного
потока.
- Pуд.вп = 0.5ρSv3,
4.2 Какие факторы оказывают влияние на плотность воздуха?
- влажность и высота над уровнем моря (температура и давление).
4.3 Какие факторы определяют направление ветра на конкретной местности?
- для примера рассмотрим прибрежную местность: Бриз – ветер на берегах морей, крупных озер и водохранилищ, меняющий направление на противоположное дважды в сутки. Днем бриз дует с более холодной воды на нагретую сушу, компенсируя восходящие потоки над более теплой поверхностью. Ночью восходящие потоки формируются над более теплой водой, и с суши на воду устремляется компенсирующий поток воздуха. Таким образом, бриз возникает из-за разницы температур и давления.
4.4 Какие статистические закономерности применяются для описания
поведения ветра?
- в первую очередь ветры классифицируют по их силе, продолжительности и направлению. Так, порывами принято считать кратковременные (несколько секунд) и сильные перемещения воздуха. Сильные ветры средней продолжительности (примерно 1 мин) называют шквалами. Названия более продолжительных ветров зависят от силы, например, такими названиями являются бриз, буря, шторм, ураган, тайфун.
4.6 Как изменяется скорость ветра с высотой над поверхностью земли,
каким выражением описывается характер изменения?
- у поверхности: область постоянно меняющихся процессов. Структура ветра определяется в основном природой поверхности и изменением температуры с высотой.
Высотные ветры
На высоте более 500 - 1000 м над высшей точкой поверхности уже не подвержен влиянию трения о землю. На этих уровнях можно говорить о ветрах, дующих в свободной атмосфере и имеющих скорость свободного потока. Следовательно, на высоте более 500м над наивысшей точкой поверхности, мы находимся в зоне действия воздушных потоков, движущихся по изобарам и со скоростью, соответствующей градиенту давления на данной высоте. Ветер, направление которого, совпадает с изобарой вне пограничного слоя принято называть градиентным ветром.
4.7 Перечислите основные параметры, характеризующие ветроприёмники в целом.
- ветродвигатель – это аэромеханическое устройство, преобразующее
кинетическую энергию свободно движущегося воздушного потока в полез-
ную механическую энергию.
Основной частью каждого ветродвигателя является ветроприёмник
(ветряная турбина): ветроколесо для ветродвигателей с горизонтальной осью
вращения или ротор для ветродвигателей с вертикальной осью вращения.
Ветротурбина закреплена на основном валу установки, роль которого – передача вращающего момента к промежуточным или исполнительным механизмам (электрогенератор, водяной насос, мельница и т.д.).
Рабочими элементами каждой ветротурбины являются крылья или лопасти (от одного до 56 и более), взаимодействие которых с воздушным потоком создаёт вращающий момент на главном валу.
У ветроколёс корневая часть крыльев соединена со ступицей, установленной на главном валу (рисунок 1), ось которого расположена в пространстве горизонтально и параллельно направлению ветра.
С энергетической точки зрения, основными параметрами для всех ветроприемников (ветротурбин) является: площадь ометаемой поверхности, быстроходность, коэффициент использования энергии ветра.
4.8 Какая зависимость называется основной энергетической характеристикой ветроприёмника?
- количество вырабатываемой электроэнергии ВЭУой в зависимости от скорости ветра.
4.9 По каким признакам классифицируются ветроприёмники?
- ветроприемники классифицируются по оси вращения, по количеству лопастей, по материалу лопастей, по шагу лопастей.
4.10 В чём заключается принцип действия ветроприёмника дифференциального аэродинамического сопротивления?
-
4.11 Опишите принцип действия ветроприёмника подъёмной силы.
- ветроколесо крыльчатого ветрогенератора работает за счет подъемной силы, возникающей на крыле при набегании на него воздушного потока.
4.12 Приведите выражение для определения подъёмной силы элемента крыла конечных размеров.
- подъемная сила единицы длины крыла бесконечного размаха равна произведению циркуляции скорости вокруг профиля крыла на плотность и скорость набегающего потока, а для крыла с размахом lподьемную силу можно определить по формуле:
Ya=V*l*p*Г
где Г – циркуляция скорости воздуха вокруг профиля крыла;
Y l=1 - подъёмная сила для единицы длины крыла.
4.13 Какие ветроприёмники и почему требуют обязательного наведения на ветер?
- ветроприемники с горизонтальной осью вращения требуют обязательного наведения на ветер, так как для вращения лопастей такого ветроприемника требуется перепендикулчрное воздействие потока воздуха на лопасти.
4.14 Для чего осуществляется регулирование частоты вращения ветроприёмников?
- регулировка частоты вращения ветроколеса в первую очередь служит для отработки порывов сильного ветра, так же для остановки вращения при сильном ветре и снижении шума при вращении.
4.15 Перечислите известные вам способы наведения ветроустановок на ветер.
- существуют пассивные системы, которые используют собственную движущую силу для ориентации в направлении ветра и активные, которые дополнительно используют электрическую или гидравлическую энергию:
Пасивные системы – флюгеры, виндрозы