Мощность потока, или как ее еще называют секундная энергия, пропорциональны кубу скорости ветра. Что значит — если скорость ветра возрастет, допустим, в два раза, то энергия потока воздушного возрастет в 23 раза, а именно 23= 2х2х2= 8 раз.
Развиваемая ветродвигателем мощность будет меняться пропорционально квадрату диаметра ветроколеса. Что значит при увеличении в два раза диаметра ветроколеса – получим увеличение мощности при той же скорости ветра в четыре раза.
Однако не всю энергию, протекающую через ветроколесо, можно превратить в полезную работу. Некоторая часть энергии потеряется при преодолении сопротивления ветроколеса воздушному потока, а также на другие потери. Также довольно большая часть воздушной энергии будет содержатся в потоке, уже прошедшем через ветроколесо. В теории крыльчатых ветродвигателей доказывается:
- Скорость потока ветра за ветроколесом не равна нулю;
- Лучший режим работы ветродвигателя тот, при котором скорость потока за ветроколесом будет равна 2/3 от первоначальной скорости потока, которая будет набегать на ветроколесо.
Коэффициент использования энергии
Это число, которое показывает, какая часть мощности воздушного потока будет полезно использоваться ветроколесом. Этот коэффициент обозначается обычно греческой буквой χ (кси). Величина его зависит от ряда факторов, таких как тип ветромотора, качества изготовления и формы его лопастей и прочих факторов. Для быстроходных ветродвигателей, которые имеют обтекаемую аэродинамическую форму крыльев, коэффициент χ составляет примерно от 0,42 до 0,46. Это значит, что машины такого типа могут превращать в полезную механическую работу порядка 42%-46% ветрового потока, проходящего через установку. Для тихоходных же машин данный коэффициент составляет порядка 0,27 – 0,33. Теоретическое максимальное значение χ для идеальных крыльчатых ветродвигателей составляет примерно 0,593. Крыльчатые установки получили довольно широкое распространение, и они массово начали выпускаться промышленностью. Их разделяют на две группы:
- Быстроходные – число лопастей до 4;
Тихоходные – от 4 до 24 лопастей;
Быстроходные и тихоходные ветродвигатели
Быстроходность является одним из преимуществ, так как делает более простой передачу энергии ветра таким быстроходным устройствам как электрогенератор. Более того, они более легкие и имеют более высокий коэффициент использования скорости ветра, чем тихоходные, как это упоминалось выше.
Однако кроме достоинств, у них есть и серьезный недостаток, такой как в несколько раз меньший вращающий момент при неподвижном ветроколесе и при одинаковых диаметрах колес и скорости ветра, чем у тихоходных установок. Ниже приведены две аэродинамические характеристики:
Где пунктиром показано 18-лопастное ветроколесо, а сплошной – 3ех лопастное. По горизонтальной оси отложено число модулей Z ветроколеса или его быстроходность. Данная величина определяется отношением скорости ωхR конца лопасти к скорости ветра V.
Из характеристики ветродвигателя можно сделать вывод, что каждая скорость ветра может иметь только единственное число оборотов, при котором можно получить максимальный χ. Кроме того, при наличии одинаковой скорости ветра тихоходное устройство будет иметь момент в несколько раз больший, чем быстроходное, и соответственно оно начнет работать при скорости ветра меньшей, чем быстроходное. Это довольно значительный фактор, так как увеличивает количество часов работы ветродвигателя.
Крыльчатые ветродвигатели
Принцип их работы основывается на аэродинамических силах, которые возникнут на лопастях ветроколеса, когда на них набежит воздушный поток. Для того, чтоб увеличить мощность крыльям придают обтекаемые, аэродинамические профили, а углы заклинения делают переменными вдоль лопасти (чем ближе к валу – тем больше углы, а на конце меньшие). Схема показана ниже:
Имеется три основные части данного механизма – лопасть, мах, с помощью которого колесо крепится к ступице. Угол заклинения φ – угол между плоскостью вращения колеса с лопастью. Угол атаки α – угол набега ветра на элементы лопасти.
При заторможенном ветроколесе направления потока, набегающего на лопасть, и направление ветра совпадали (по стрелке V). Но поскольку колесо имеет какую-то скорость вращения, то соответственно каждый из элементов лопасти будет иметь определенную скорость ωxR, которая будет увеличиваться с отдалением от оси колеса. Поэтому поток, обдувающий лопасть с какой-то скоростью будет состоять из скорости ωxR и V. Данная скорость имеет название относительной скорости потока и имеет обозначение W.
Так как только при определенных углах атаки существует наилучший режим работы ветродвигателя крыльчатого, то углы заклинения φ приходится делать переменными по всей длине лопасти. Мощность ветрового двигателя, как и любого другого, определяется произведением угловой скорости ω на его момент М: P = Mxω. Можно сделать вывод, что с уменьшением количества лопастей момент М тоже снизится, однако возрастет количество оборотов ω. Именно поэтому, мощность Р = Mxω останется почти постоянной и будет слабо зависеть от количества лопастей ветряка.
Другие типы ветродвигателей
Как известно кроме крыльчатых, существуют еще и барабанные, карусельные и роторные ветродвигатели. У карусельных и роторных типов ось вращения вертикальная, а в барабанных – горизонтальная. Пожалуй, главным отличием крыльчатых ветродвигателей от барабанных и карусельных будет то, что у крыльчатых работают все лопасти одновременно, в то время как у барабанных и карусельных работает лишь та часть лопастей, движение которых будет совпадать с направлением движения ветра.
Для уменьшения сопротивления лопастей, которые идут навстречу ветру, их либо делают изогнутыми, либо прикрывают ширмой. Вращающий момент при использовании такого типа двигателя возникает за счет разного давления в лопастях.
Поскольку роторные, карусельные и барабанные типы ветродвигателей имеют довольно низкую эффективность (χ для данных типов не превышает 0,18), а также довольно громоздкие и тихоходные на практике они не получили массового применения.
