Классификация ветроколес по частоте вращения

Ветроколеса разделяют на [10]:

- быстроходные (менее 4 лопастей);

- средней быстроходности (от 4 до 8 лопастей);

- тихоходные (более 8 лопастей).

Частота вращения однолопастных ВЭУ в 1,5-2 раза выше, чем у двух- и трехлопастных ВЭУ с тем же КПД. Это снижает вес и стоимость генератора [9].

От частоты вращения зависит окружная скорость кончика лопасти ν_к:

ν_к = π D _вк n _вк/60 (4.6)

Для обеспечения надежности конструкции не допускают чрезмерно больших значений окружной скорости ν_к. Как правило, ее ограничивают значением 100 м/с [24].

 

Плюсы и минусы тихоходных ветроколес

Плюсы:

- существенно проще в изготовлении лопастей (не требуют высокоточной балансировки; не требуют больших наукоемких исследований по выбору профиля) [16];

- дешевле [16];

- аэродинамический шум от лопастей ниже [15].

Минусы:

- для обеспечения высокой номинальной частоты вращения генератора (с целью применения генераторов малой массы и размеров) требуется мультипликатор.

 

Быстроходность ветроколеса

Одной из характеристик ветрогенераторов является быстроходность ветроколеса Z – отношение окружной скорости движения внешнего конца лопасти к расчетной скорости ветра.

,

где w – угловая скорость вращения ветроколеса (рад/с), R - радиус лопасти.

Для современных ветроколес эта цифра лежит в пределах от 4 до 12 [15].

В иностранной литературе быстроходность принято обозначать буквой λ [24].

От быстроходности зависит коэффициент использования энергии ветра k ис (рис.4.6). При высокой быстроходности влияние трения становится все больше. Наибольшую мощность достигают увеличением аэродинамического качества профиля К [24]. Аэродинамическое качество – отношение подъёмной силы к лобовому сопротивлению при данном угле атаки.

Рис. 4.6. Зависимость kис от числа лопастей и быстроходности [24]

 

Момент на валу ветроколеса

Выражение для момента

В Разделе 4.6.3 было сказано, что мощность на валу ветроколеса Р _в практически не зависит от числа лопастей.

В Разделе 4.9.1 было сказано, что частота вращения n _вкс увеличением числа лопастей уменьшается.

Момент можно выразить из формулы для мощности ветроколеса:

Р _вк= М Ω_вк, (4.7)

где Ω= π n _вк/30 – угловая скорость ветроколеса.

М =30 Р _вк/(π n _вк) (4.8)

Анализ формулы (4.8) показывает, что многолопастные тихоходные ВЭУ обладают другим важным качеством - большим моментом М. Это свойство используется для непосредственного привода механизмов, например, водяных насосов для подъема воды [5].

Именно момент на валу определяет массу и размеры генератора, а также во многом – массу и размер вала и других элементов конструкции, например, гондолы и мачты [16].

 

Стартовый момент

Стартовый момент (момент страгивания) – это момент на валу, который необходимо сообщить ветроколесу, чтобы оно стронулось с места из начального неподвижного состояния.

Большой стартовый момент имеют многолопастные тихоходные ветроколеса [24].

Малый стартовый момент имеют малолопастные быстроходные ветроколеса [24].

Качество страгивания можно улучшить принудительной системой поворота лопастей [24].

 

Частота вращения генератора