МенюРубрики

Фізичні основи вітрогенераторів

Фізика енергії вітру

Принцип отримання енергії вітрогенератором здається простим – вітер крутить турбіну, вона виробляє електрику. Але створення максимально ефективних вітряків засноване на безлічі наукових дисциплін, знайомство з якими допоможе вибрати оптимальний джерело альтернативної енергії для свого будинку. Головний же з них, це гідродинаміка – фізика руху суцільних середовищ.

Рівняння енергії вітру

Базовий принцип фізики свідчить, що енергія не виникає і не зникає, вона лише перетворюється з одного виду в інший. Вітрогенератори як раз ілюструють такий перетворювач: вони перетворюють кінетичну енергію вітру в механічну енергію ротора, а потім генерується електрика. Але джерелом є кінетична енергія, яка розраховується за формулою Ркін.= (М х V2) /2, де М і V це маса певного об'єму повітря і швидкість вітру.

Наглядно это можно представить в виде ветра дующего в вытянутую форточку: (рис. Енергія вітру 1)

Тут відразу видно, який об'єм повітря проходить через вікно, і його залежність від площі кватирки, швидкості потоку і часу. Отже, напрошується пряма залежність:

  • Чим більше вікно;
  • Чим швидше швидкість вітру;
  • Чим довше «коридор»;

Тим більше маса повітря, що протікає через нього. Враховуючи, що маса повітря це добуток щільності на обсяг, енергію вітру можна виразити так:

Рвітр. = (r x S x V3 x T) /2, де:

r — щільність повітря;

S – ометаєму площа;

V – швидкість вітру;

Т – час.

На рисунке выделено апертурное окно, которое и есть площадь ометаемая лопастями ветрогенератора. (рис. Енергія вітру 2)

Сила і енергія

Терміни сила (потужність) і енергія, дуже часто плутають. Але щоб розібратися з альтернативними джерелами енергії докладно, треба розставити крапки над i.

Енергія, це сила (потужність) помножена на час.

Ось чому потужність приладів визначається в кіловатах, а рахунки за електроенергію приходять в кіловат/годинах.

Щоб визначити силу вітру, треба у формулі його кінетичної енергії прибрати змінну часу І Т. вийде формула Рсила вітр. = (r x S x V3) /2, в якій є три змінних:

  • Щільністю повітря керувати неможливо – вона від природи.
  • Площа ометаєму поверхні збільшує вироблення енергії, але у всього є межа. Адже щоб збільшити площу аппертурного вікна вітрогенератора всього в два рази, треба посилити його конструкцію в 4 рази! Але правда є хитрі рішення, наприклад DAWT (вітрогенератор з дифузором). (Рис вітрогенератор з дифузором)
  • Швидкість повітряного потоку відчутно впливає на результат, адже у формулі вона зводиться в куб. І зовсім невелика зміна цієї змінної, різко змінюється продуктивність вітрогенератора. Наприклад, якщо швидкість вітру збільшитися всього на 26%, з 10 до 12,6 м/с, то генерація зросте на 100%: 103 = 1000, а 12,63 = 2000.

Саме тому вітрогенератори намагаються підняти максимально високо, де швидкість вітру набагато вище.

Як вітрогенератор живиться з альтернативного джерела

Вітряки не «харчуються» масою повітря, вони налаштовані на споживання швидкості вітру. Іншими словами: вітер наближається до вітротурбін з високою швидкістю, а покидається її з меншою. Різниця в швидкостях вітру до і після вітрогенератора, визначає, який обсяг енергії був засвоєний цим пристроєм.

Деякі типи вітрогенераторів роблять це краще, деякі гірше. Але це основна функція вітрогенератора – уповільнити вітер.

Грань між ефективністю і обмеженням

Ніколи не вірте твердженням, що якийсь вітрогенератор працює з ефективністю 100%. Це означає, що вітер за лопатями вітряка повинен повністю зупинитися. Абсурдне доказ наочно демонструє хибність.

Вітротурбіна з ідеальним ККД, повинна знайти той баланс, де вітер віддає енергії стільки, щоб йому залишилося тільки на вихід з апертурного вікна пристрої для подальшого руху. ККД в даному випадку визначає різницю у швидкості вітру до і після турбіни, прямо впливаючи на коефіцієнт потужності вітряка, який приймає таку формулу: Рвихід= 1/2 × r × S × V3 × ККД.

Максимальний ККД вітротурбіни, більше 100 років тому, німецький вчений Бетц обгрунтував у своїй фундаментальній науковій роботі. Взявши за основу вищенаведену формулу, німець надзвичайно послідовно обґрунтував, що максимально з вітру можна отримати 16/27 енергії. Згодом, його розрахунки трохи підкоригував італієць Лореджо, і вийшло що максимальний ККД для вітрогенератора 59%. (РИС 100% Wind Turbine Efficiency)

ВАЖЛИВО: закон Бетца виводиться з формули кінетичної енергії вітру, і ніяк не зачіпає типи вітрогенераторів. Іншими словами, він просто стверджує, що для нормального функціонування вітрогенератора, вітер можна уповільнити на 59%.

Це виразно помітно на різницю в принципах роботи турбін Савоніуса і Дарії. Адже вітряки Савоніуса приймають тільки штовхає силу вітру, а проекти Дарині використовують аеродинамічну підйомну силу, що підвищує швидкість обертання лопатей. (Рис порівняння Савоніуса і Дарії)

Порівняння ККД різних типів вітротурбін

До передбаченого Бетцем межі в 59% жоден вітрогенератор досі не міг навіть наблизитися. Максимум що вдається витягти з альтернативного джерела сучасним вітрякам, це 38-45%. Найбільше експериментів зазнали горизонтальні моделі. У них збільшували кількість лопатей як у моделі Болле та зменшували їх до однієї, змінювали їх форму і кут атаки, але додаючи в чомусь одному, пристрій втрачало інші свої якості.

ІНФОРМАЦІЯ: однолопастные турбіни володіють найвищим потенціалом збільшення коефіцієнт потужності, але їх важко тримати збалансованими. Двох-і трилопатеві турбіни є перевіреним стандартом балансування аеродинамічної ефективності і стійкості при турбулентних вітрах.

Найбільш успішні в комерційному плані горизонтальні вітряки, тим не менш не можуть конкурувати з ефективністю перетворення вертикальним генератором типу Дарині.

Принципова відмінність вітрогенератора Дарині

Якщо всі вітрогенератори витягують енергію використовуючи силу опору повітряного потоку, то модель Дарині додатково включає ефект аеродинамічної піднімальної сили. І в Росії, і в США, незалежно один від одного було доведено, що використовуючи сучасні технології і композитні матеріали, при однакових ефективність роботи вітряка Дарині буде на порядок вище, будь-якої моделі горизонтального розташування, тому що теоретичний максимум ККД пристрою такого типу – 72%!

Найбільш близький приклад для наочного пояснення такого парадоксу можна побачити у вітрильному спорті, який теж використовує енергію вітру.

Якщо вітрильник рухається строго по вітру, коли він дме прямо в вітрила, то його швидкість, при ідеальних умовах може бути дорівнює швидкості вітру.

Якщо ж вітрильник «ріже вітер», рухаючись під кутом до повітряного потоку, то швидкість судна досвідчених яхтсменів більш ніж в два рази перевищує швидкість вітру!

Цього ефекту вдається досягти за рахунок підйомної сили, яку формують ламінарні потоки над вітрилом.

ВИСНОВОК: будь-яка вітротурбіна яка не використовує ефект аеродинамічної піднімальної сили крила, буде поступатися моделі вітрогенератора Дарині і його аналогам.

Нові обґрунтування старих концепцій

Голослівні припущення про те, що сучасні розробки повинні різко підвищити ККД вітрогенераторів взагалі не мають під собою підстави. Сучасні моделі з горизонтальним розміщенням досягають 75% ефективності від свого теоретичного межі Бентца (приблизно 45% ККД). Адже розділ фізики, який регламентує ефективність вітротурбін – гідродинаміка, а її закони непорушні з моменту їх відкриття.

Деякі розробники намагаються підняти ефективність за рахунок збільшення кількості лопатей, роблячи їх більш тонкими. Можна збільшувати їх довжину, і це дає більший ефект за рахунок зростання ометаєму площі.

Але все одно потрібно витримати баланс між уповільненням вітру і його залишкової швидкістю.

Є інший напрямок – підвищити швидкість вітру, пропускаючи його через дифузор. Але гідродинаміка рясніє вже відкритими ефектами обтікання перешкод по шляху найменшого опору.

Є більш або менш вдалі моделі DAWT, з великими кутами на дифузорі, але ці спроби «обдурити вітер» не настільки підвищують ККД, як декларує реклама.

Найвдаліші сучасні вітрогенератори – це вертикальні моделі з лопатями Дарині, посаджені на магнітно-левитирующие опорні підшипники (МАГЛІВ). Працюючи майже безшумно, вони починають обертатися при швидкості вітру менше 1 м/с, і витримують шквальні пориви до 200 км/ч. Саме на основі таких джерел альтернативної енергії найвигідніше формувати незалежну приватну енергосистему.

 

Додати коментар

Вашу адресу email не буде опубліковано. Обов'язкові поля позначені *

\n\n<\/ins>\n","html_block":"\n\n<\/ins>\n","group":"0","resolution_from":"\u221e","resolution_to":"\u221e"}]});\n\n<\/ins>\n","html_block":"\n\n<\/ins>\n","group":"0","resolution_from":"\u221e","resolution_to":"\u221e"}]});","html_block":"","group":"0","resolution_from":"\u221e","resolution_to":"\u221e"}]});\n<\/ins>\n\n<\/center>","html_block":"