Принцип действия всех ветродвигателей заключается во вращении ветроколеса с лопастями поднапором ветра. Вращающий момент ветроколеса через систему передач передается на вал генератора, вырабатывающего электроэнергию.
Кинетическая энергия 
воздушного потока с площадью поперечного сечения 
, имеющего плотность 
и скорость 
равна [62]:
.
Механическая энергия ветродвигателя 
определяется коэффициентом использования энергии ветра, зависящим от типа ветродвигателя и режима его работы:
.
Электрическая мощность генератора ветроэнергетической установки может быть определена по формуле:
где 
– радиус ветроколеса; 
– КПД электромеханического преобразователя энергии.
По принципу действия ветродвигатели могут быть разделены на две группы:
- двигатели, у которых вращающий момент образуется в результате разности сил лобового давления потока воздуха на лопасти рабочего колеса относительно оси его вращения;
- ветроустановки, вращающиеся под действием аэродинамической подъемной силы.
К первой группе относятся ветродвигатели карусельного, роторного и барабанного типов. Благодаря простейшей конфигурации рабочего ветроколеса они имеют невысокую стоимость и весьма неприхотливы в эксплуатации. Однако широкого распространения эти ветродвигатели не получили из-за малого коэффициента использования энергии ветра 
и тихоходности. Расчеты показывают, что наибольшую мощность двигатель развивает, когда рабочая плоскость, воспринимающая действие потока воздуха, движется со скоростью, равной 1/3 скорости ветра [159]. При этом значение для данных двигателей не превышает 0,18.
Основным типом ветродвигателя, получившим практическое применение, является двигатель крыльчатой конструкции, в котором вращающий момент создается за счет аэродинамических сил, возникающих на лопастях рабочего ветроколеса. В большинстве стран выпускают и применяют только крыльчатые ветродвигатели. Они отличаются большими коэффициентами использования энергии ветра и значительно большей быстроходностью. Максимальное значение для быстроходных колес достигает 0,45-0,48.
|
|
Частота вращения ветроколеса в номинальном расчетном режиме достигает сотен оборотов в минуту, что позволяет использовать безредукторные генераторы. Чем больше число лопастей рабочего колеса, их ширина и угол поворота лопастей относительно плоскости вращения, тем при прочих равных условиях быстроходность двигателя ниже. Обычно быстроходность ветроколеса характеризуется числом модулей:
,
где 
– угловая частота вращения ветродвигателя; 
– радиус ветроколеса.
По конструктивному исполнению ветродвигатели делятся на две группы (см. рис. 12.9):
- ветродвигатели с горизонтальной осью вращения,
- ветродвигатели с вертикальной осью вращения.
Рисунок 12.9 – Типы ветродвигателей, получившие преимущественное распространение
Крыльчатые ветродвигатели с горизонтальной осью вращения наиболее эффективны, когда поток воздуха перпендикулярен плоскости вращения лопастей. Для обеспечения этого условия в составе ВЭУ требуется устройство автоматического поворота оси вращения. Обычно эту роль выполняет крыло-стабилизатор. Ветродвигатели с вертикальной осью вращения могут работать при любом направлении ветра без изменения своего направления.
|
|
Главной конструктивной частью любой ветроустановки являются лопасти. От размера и конструкции лопастей ВЭУ напрямую зависит максимальная мощность, которую можно получить от энергоустановки (так как именно они «захватывают» ветер), и ее КПД. Современные технологии позволяют увеличивать эффективность этого процесса. ВЭУ обычно имеют две или три лопасти, которые производят из стекловолокна, полистирола, эпоксидного полимера или углепластика. У некоторых из них есть деревянный каркас. Материал, из которого изготавливают лопасти, должен быть крепким и одновременно гибким и не создавать волновые помехи, мешающие прохождению телевизионных сигналов. Длина лопастей ВЭУ варьируется от 10 до 100 метров, вес лопасти может превышать 100 кг (см. рис. 12.10).
Рисунок 12.10 – Профили лопастей ветроколес с горизонтальной осью вращения
С точки зрения диапазона мощностей, ветроэнергетические установки можно разделить на ВЭУ, предназначенные для «большой» энергетики, и малые ветроэлектростанции, перспективные для систем автономного электроснабжения.
Европейские ВЭС в основном расположены на побережьях Северного, Балтийского морей и Атлантического океана. Прибрежные зоны представляют большой интерес для ветроэнергетической отрасли ввиду их большого энергетического потенциала и низкой освоенности. Десятки крупных ВЭУ установлены на побережьях во многих странах мира и вносят существенный вклад в общую выработку электрической энергии.
В последнее время все большее распространение получают так называемые оффшорные ВЭС, или ВЭС морского базирования. Большинство стран Северной Европы обладает большими территориями мелководья, расположенными недалеко от береговой линии. И хотя капитальные затраты на строительство ВЭУ морского базирования превышают затраты на строительство наземных, однако и производство энергии на оффшорных ВЭУ существенно выше. Датские электроэнергетические компании объявили о планах строительства ВЭС суммарной установленной мощностью до 4000 МВт в оффшорных зонах. Ожидается, что запланированные оффшорные ВЭС выработают 13,5 ТВт·ч электроэнергии, что соответствует 40% потребления электроэнергии в Дании.
|
|