Экспериментальная установка. Цель работы: изучение принципа преобразования энергии ветра в электрическую энергию, устройства ветроколеса и определение коэффициента мощности

Лабораторная работа № 7

ИЗУЧЕНИЕ ПРИНЦИПА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

В ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ

Цель работы: изучение принципа преобразования энергии ветра в электрическую энергию, устройства ветроколеса и определение коэффициента мощности ветроэнергетической установки.

Общие сведения

Ветер представляет собой движение воздушных масс земной атмосферы, вызванное перепадом температуры в атмосфере из-за неравномерного нагрева ее Солнцем. Таким образом, используемая энергия ветра является преобразованной в механическую энергией Солнца.

Устройства, преобразующие энергию ветра в полезную механическую, электрическую или тепловую виды энергии, называются ветроэнергетическими установками (ВЭУ) или ветроустановками.

Энергия ветра в механических установках, например, на мельницах и в водяных насосах, используется уже несколько столетий. После резкого скачка цен на нефть в 1973 г. интерес к таким установкам резко возрос. Большая часть существующих ветроустановок построена в конце 1970-х – начале 1980-х гг. на современном техническом уровне при широком использовании последних достижений аэродинамики, механики, микроэлектроники для контроля и управления ими.

Белорусская энергетическая программа до 2010 года основными направлениями использования ветроэнергетических ресурсов на ближайший период предусматривает их применение для привода насосных установок и в качестве источников энергии для электродвигателей автономного обеспечения. Эти области применения характеризуются минимальными требованиями к качеству электрической энергии, что позволяет резко упростить и удешевить ветроэнергетические установки.

При правильной организации использования ветроэнергетики такой дешевый и неиссякаемый источник энергии, как ветер, может удовлетворить большую часть потребностей в любой отрасли народного хозяйства. Установки, преобразующие энергию ветра в электрическую, тепловую и механическую, могут обеспечить:

§ автономное энергоснабжение различных локальных объектов (оросительные системы, механизмы животноводческих ферм, вентиляцию, устройства микроклимата и т.п.);

§ горячее водоснабжение, отопление, энергообеспечение холодильных агрегатов;

§ подъем воды для садовых участков, на пастбищах и т.п.;

§ откачку воды из систем вертикального и горизонтального дренажа и прочих систем.

По сравнению с другими видами источников энергии ветроэнергетические установки имеют следующие преимущества:

§ отсутствие затрат на добычу и транспортировку топлива;

§ снижение более чем в 10 раз трудозатрат на сооружение ветроэнергетической установки по сравнению со строительством тепловых или атомных станций;

§ широкий технологический диапазон прямого использования энергии ветроустановок (автономность или совместная работа с централизованными сетями, совместимость с другими источниками возобновляемой энергетики и т.п.);

§ минимальные сроки ввода мощностей в эксплуатацию;

§ улучшение экологической обстановки за счет снижения уровня загрязнения окружающей среды.

Принцип действия и классификацияВЭУ

В ветроэнергетических установках энергия ветра преобразуется в механическую энергию их рабочих органов. Первичным и основным рабочим органом ВЭУ, непосредственно принимающим на себя энергию ветра и, как правило, преобразующим ее в кинетическую энергию своего вращения, является ветроколесо.

Вращение ветроколеса под действием ветра обуславливается тем, что в принципе на любое тело, обтекаемое потоком газа со скоростью u₀, действует сила F_Р , которую можно разложить на две составляющие: 1 – вдоль скорости набегающего потока, называемую силой лобового сопротивления F_C, и 2 – в направлении, перпендикулярном скорости набегающего потока, называемую подъемной силой F_П (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Силы, действующие на тело, обтекаемое потоком газа

Величины этих сил зависят от формы тела, ориентации его в потоке газа и от скорости газа. Действием этих сил рабочий орган ветроустановки (ветроколесо) приводится во вращение.

Ветроустановки классифицируются по двум основным признакам геометрии ветроколеса и его положению относительно направления ветра.

Если ось вращения ветроколеса параллельна воздушному потоку, то установка называется горизонтально-осевой. Если перпендикулярна – вертикально-осевой.

Ветроколесо с горизонтальной осью, использующее подъемную силу (двух- или трехлопастное ветроколесо), показано на рис. 7.2 (а, б, в, г).

Ветроустановки, использующие силу лобового сопротивления, состоят из укрепленных вертикально оси лопастей различной конфигурации (рис. 7.2 е, ж, з, и, к).

На рис. 7.2, д представлено ветроколесо, использующее эффект Магнуса (эффект возникновения подъемной силы, перпендикулярной направлению ветра, при вращении цилиндра или конуса).

Установки, использующие силу лобового сопротивления, как правило, вращаются с линейной скоростью, меньшей скорости ветра. А установки, использующие подъемную силу, имеют линейную скорость концов лопастей, существенно, большую скорости ветра.

Каждое ветроколесо характеризуется:

n ометаемой площадью S, ветроколеса называют площадь, покрываемоя его лопастями при вращении в плоскости перпендикулярной направлению потока. Для репеллерного ветроколеса(горизонтально осевого) −

S = pD2/4,

(7.1)

где D – диаметр ветроколеса,

для ветроколеса Савониуса (вертикально осевого) −

S = h b,

(7.2)

где h и b – соответственно высота ротора и его средний диаметр;

n геометрическим заполнением, равным отношению площади проекции лопастей на плоскость, перпендикулярную потоку, к ометаемой площади (так, например, при одинаковых лопастях четырехлопастное колесо имеет вдвое большее геометрическое заполнение, чем двухлопастное);

n коэффициентом мощности C_P, характеризующим эффективность использования ветроколесом энергии ветрового потока и зависящим от конструкции ветроколеса;

n коэффициентом быстроходности Z, представляющим собой отношение скорости конца лопасти к скорости ветра.

Рис. 7.2. Типы ветряных колес

При скорости ветра u₀ и плотности воздуха ветроколесо с ометаемой площадью S развивает мощность

N = CN S u0 3/2 .

Из этой формулы видно, что эта мощность пропорциональна кубу скорости ветра.

По теории Н. Жуковского, максимальное значение коэффициента мощности 0,6–0,69. На практике лучшие быстроходные колеса имеют C_N~ 0,45 – 0,48; у тихоходных колес C_N ~ 0,35 – 0,38.

ВЭУ с большим геометрическим заполнением ветроколеса развивают значительную мощность при относительно слабом ветре, и максимум мощности достигается при небольших оборотах колеса. ВЭУ с малым заполнением достигают максимальной мощности при больших оборотах и дольше выходят на этот режим. Поэтому первые используются, например, в водяных насосах и даже при слабом ветре сохраняют работоспособность, а вторые – в качестве электрогенераторов, где требуется высокая частота вращения.

Экспериментальная установка

Работа выполняется на аэродинамической трубе (1) (рис. 7.3). В трубе воздушный поток создается осевым вентилятором (на рисунке не показан). Величина скорости потока в трубе регулируется изменением тока питания вентилятора. Скорость воздушного потока в рабочей области трубы определяется с помощью трубки Пито-Прандтля (2) и микроманометра (3). В рабочую зону трубы установлено ветроколесо (4) с электрическим генератором (5). К генератору подключена нагрузка (6). В цепь нагрузки подключены также вольтметр (7) и амперметр (8).

Рис. 7.3. Схема экспериментальной установки

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с разными типами ветряных колес. По указанию преподавателя установить необходимый тип ветроколеса в рабочую зону аэродинамической трубы.

2. В отсутствие потока воздуха в трубе отметить начальное показание микроманометра l₀.

3. Включить блок питания, аэродинамической трубы. Установить необходимое значение скорости воздушного потока в рабочей зоне путем изменения тока питания вентилятора аэродинамической трубы.

4. Измерить значение скорости u₀потока с помощью трубки Пито-Прандтля. Для этого необходимо снять показания микроманометра l. Данные записать в табл. 7.1.

5. Измерить напряжение U, создаваемое электрическим генератором, и ток I в нагрузке 6.

6. Изменить величину скорости воздушного потока в аэродинамической трубе. Произвести все для данного ветроколеса не менее 8 измерений вышеуказанных измерений.

7. Заменить ветроколесо. Выполнить измерения, описанные в пп. 3 –6.

Таблица 7.1