Принцип дії і класифікації веу.
В вітроенергетичних установках енергія вітру перетворюється в механічну енергію їх робочих органів. Первинним і основним робочим органом ВЕУ, який безпосередньо приймає на себе енергію вітру і, як правило, перетворює її в кінетичну енергію свого обертання, є вітроколесо.
Обертання вітроколеса під дією вітру обумовлюється тим, що в принципі на любе тіло, яке омивається потоком газу зі швидкістю u0, діє сила F, яку можна розкласти на дві складові: 1 – вздовж швидкості потоку, що набігає, і називається силою лобового опору Fс, і 2 – в напряму, перпендикулярному швидкості потоку, що набігає, і називається підйомною силою Fп (мал. 1.1.).
Малюнок 1.1. Сили, які діють на тіло, що омивається потоком газу.
Величини цих сил залежать від форми тіла, орієнтації його в потоці газу і від швидкості газу. Дією цих сил робочий орган вітроустановки (вітроколесо) приводиться в обертання.
Вітроустановки класифікують по двом основним ознаками – геометрії вітроколеса і його положенням відносно напряму вітру.
Якщо вісь обертання вітроколеса паралельна повітряному потоку, то установка називається горизонтально-осьовою, якщо перпендикулярна – вертикально-осьовою.
Вітроколесо з горизонтальною віссю, яке використовує підйомну силу (двох- або трьох-лопатеве вітроколесо), показано на мал. 1.2, а, б, в, г.
Вітроустановки, які застосовують силу лобового опору, складаються з укріплених вертикально лопатей різної конфігурації (малюнок 1.2. е, ж, з, и).
На мал. 1.2. д представлено вітроколесо, яке використовує ефект Магнуса (ефект виникнення підйомної сили, перпендикулярної напряму вітру, при обертанні циліндру або конусу).
Установки, які використовують силу лобового опору, як правило обертаються з лінійною швидкістю, меншою за швидкість вітру, а установки, які використовують підйомну силу, мають лінійну швидкість кінців лопатей суттєво більшу швидкості вітру.
Кожне вітроколесо характеризується:
· омиваною площиною S (для горизонтально-осьових вітроколес, вітроколесо репелерного типу), тобто площиною, яка покривається його лопатями при обертанні і рівній S = 
, де D – діаметр вітроколеса і в експериментальній роботі D = 0,17м, або площею лобового опору (для вертикально-осьових вітроколес, вітроколесо типу савоніус) S = h b, де h і b – відповідно висота ротору і його середній діаметр; S =0,012 м2;
· геометричним наповненням, рівним відношенню площини проекції лопатів на площину, перпендикулярну потоку, до омивної площини (так, наприклад, при однакових лопатях чотирьохлопатеве колесо має вдвічі більше геометричне заповнення, чим двохлопатеве);
· коефіцієнтом потужності СN, який характеризує ефективне використання вітроколесом енергії вітрового потоку і залежить від конструкції вітроколеса;
Малюнок 1.2. Типи вітряних коліс.
· коефіцієнтом швидкоходності Z, який представляє собою відношення швидкості кінця лопаті до швидкості вітру.
При скорості вітру u0 і густині повітря ρ вітроколесо з омиваною площиною S розвиває потужність N=CN S ρ 
. З цієї формули видно, що ця потужність пропорційна кубу швидкості вітру.
За теорією М. Жуковського, максимальне значення коефіцієнту потужності 0,6-0,69. На практиці кращі швидкоходні колеса мають CN ~ 0,45-0,48; у тихоходних коліс CN ~ 0,35-0,38.
ВЕУ з більшим геометричним наповненням вітроколеса розвивають значну потужність при слабкому вітрі, і максимум потужності досягається за невеликих обертів колеса. ВЕУ з малим заповненням досягають максимальної потужності за більших обертів і більш тривалий час виходять на цей режим. Тому перші застосовуються, наприклад, в водяних насосах і навіть за слабкого вітру зберігають працездатність, а другі – в якості електогенераторів, де вимагається висока частота обертання.
Експериментальна установка.
Роботу виконують на аеродинамічній трубі 1 (мал. 1.3). В трубі повітряний поток створюється осьовим вентилятором (на малюнку не вказаний).
Малюнок 1.3. Схема експериментальної установки.
Величина швидкості потоку в трубі регулюється зміною струму живлення вентилятору. Швидкість повітряного потоку в робочій області труби визначається за допомогою трубки Піто-Прандтля 2 і мікроманометра 3. В робочу зону труби 1 встановлено вітроколесо 4 з електричним генератором 5. До генератора підключено навантаження 6. В коло навантаження підключено також вольтметр 7 і амперметр 8.
Трубка Піто-Прандтля
Мікроманометр ММН-2400 - (5)-1,0 многодиапазонный с наклонной трубкой – багато діапазонний з похилою трубкою
Порядок виконання роботи.
1. Ознайомитися з різними типами вітряних коліс. За вказівкою викладача встановити необхідний тип вітроколеса в робочу зону аеродинамічної труби. Встановити джерело світла на пряме випромінювання на поверхню сонячного модулю (нульова відмітка на лімбу джерела).
2. За відсутності потоку повітря в трубі відмітити начальний показник мікроманометру l0.
Стенд аеродинамічної труби
Аеродинамі́чна труба́ — установка, в якій вивчається дія штучно створеного рівномірного повітряного потоку на моделі літальних апаратів та ін. тіл (див. Аеродинаміка). Одну з перших у світі аеродинамічних труб побудував у 1897 К. Е. Ціолковський.
3. Включити блок живлення аеродинамічної труби. Встановити необхідне значення швидкості повітряного потоку в робочій зоні шляхом зміни струму живлення вентилятора аеродинамічної труби.
4. Вимірити значення швидкості u0 потоку за допомогою трубки Піто-Прандтля. Для цього необхідно зняти показники мікроманометра l. Дані записати в табл. 1.1.
5. Вимірити напругу U, яка утворюється електричним генератором і струм I в навантаженні 6.
6. Змінити величину швидкості повітряного потоку в аеродинамічній трубі. Виконати всі вищевказані виміри.
7. Замінити вітроколесо. Виконати вимірювання, описані в п.п. 3-6.
Таблиця 1.1
| Тип вітроколеса | Номер експерименту | Показники мікроманометру | u0, м/с | Параметри генератора вітроустановки | СN | ||
| l - l0, мм | U, B | I, A | N, Вт | ||||
| Репеллер | |||||||
| Савоніус | |||||||
Таблиця 1.2.
Вихідні дані
| Параметри | № варіанту | Репеллер | Савоніус | ||||||||
Показники манометру  , мм | |||||||||||
| 14,5 | 14,5 | ||||||||||
| Параметри генератора вітроколеса | U, B | 4,1 | 9,5 | 12,2 | 19,5 | 3,4 | 7,1 | 8,1 | 10,8 | 12,8 | |
| 4,2 | 12,6 | 3,6 | 7,6 | 8,5 | 13,1 | ||||||
| 4,5 | 9,8 | 12,9 | 3,8 | 7,1 | 11,5 | 13,4 | |||||
| 4,25 | 12,7 | 23,5 | 3,65 | 8,1 | 8,7 | 10,9 | 13,9 | ||||
| 4,52 | 4,1 | 8,2 | 9,5 | 12,1 | 14,5 | ||||||
| I, mA | 9,5 | 41,5 | 7,5 | 15,5 | 17,5 | 27,5 | |||||
| 27,5 | 16,5 | 22,7 | 28,5 | ||||||||
| 20,5 | 30,5 | 47,5 | 19,5 | 29,5 | |||||||
| 27,5 | 8,5 | 23,5 | 30,5 | ||||||||
| 33,5 | 60,5 | 9,5 | 22,5 | 26,5 |