8. Теорія вітряка Сабініна

Рис.51 на стор.99

За теорією Г.Х. Сабініна коефіцієнт використання енергії вітру ξ більший, ніж в класичній теорії ідеального вітряка. За вітроколесом утворюється об*єм захопленого лопатями повітря, який при віддалені від вітряка набуває циліндричної форми. Частина потоку всередині цієї обмежувальної поверхні називається робочим потоком, а сама форма його називається вихровим соленоїдом. Він являє собою поверхню розділу, утворену нескінченно тонким вихровим шаром, який складається із вихрових шнурів нескінченно малої інтенсивності, які збігають з кінців лопатей і закручуються у вигляді спіралі з нескінченно малим кроком на поверхню розділу, яка являє собою вихровий соленоїд. Колова швидкість зовнішніх частинок приблизно дорівнює швидкості незавихреного шару, що прилягає до нього. Швидкість до центру вихора зменшується.

Такий нескінченно тонкий вихровий шар не потребує енергії для свого утворення внаслідок нескінченно малої маси шару, тоді як його максимальні швидкості скінченні.

Припускається, що вихровий соленоїд на досить великій відстані приймає форму циліндра і йде на нескінченність.

Швидкості, спричинені соленоїдом, накладаються на основний потік, причому вони направлені в зворотній бік по відношенню до швидкості потоку.

Приведемо основні положення теорії Г.Х. Сабініна, порівнявши ті з класичною теорією:

1.За класичною теорією втрати швидкості вітру за вітряком дорівнюють подвійній втраті швидкості вітру в площині вітряка V₂=2V₁. За теорією Сабініна це зменшення за вітряком дорівнює

2. Основний тиск за класичною теорією дорівнює P=m₁V₂, де

m₁₌ƿF₁(V-V₁). За теорією Сабініна, крім маси повітря, що протікає через поверхню, яка охоплюється вітроколесом, слід враховувати масу повітря m₂, яка всмоктується всередину вихрового соленоїда із потоку навколо нього і називаються приєднаною масою. Тоді основний тиск дорівнює P=( m₁ +m₂)V₂, a m₁ +m₂= ƿF₁V= const.

9. Акумулювання енергії вітру.

Періоди коливань енергії вітру бувають різні: секундні, хвилинні, часові, місячні, і навіть річні.

Якщо подивитись на графік зміни швидкості вітру за навіть невеликий проміжок часу, то за 2с зміна досягає 10 м/с. При зміні від 5 м/с до 15 м/с швидкість змінилась в 3 рази, а відповідно, енергія - в 27 разів. Ці коливання енергії згладжуються різними регулювальними пристроями вітродвигунів. Змінність вітру з часом, яка чергується з штилями від 1 до 5 днів, вимагає використання акумулюючих пристроїв. Це достатньо складна задача.

Типи акумуляторів.

Зміна швидкостей вітру за величиною і часом зумовлюють застосування в практиці як буферних,так і ємнісних акумуляторів енергії.

Буферні акумулятори здатні запасати і віддавати споживачу накопичену енергію в короткі проміжки часу - до 1 години.

Ємнісні акумулятори можуть запасати і віддавати енергію протягом довшого проміжку - від 1 до декількох годин.

За принципом дії акумулятори, які застосовуються у вітротехніці поділяються на такі типи: 1) механічні; 2) електричні; 3) гідравлічні;

4) теплові; 5) пневматичні.

Механічні акумулятори запасають надлишок енергії і віддають при ті недостачі за допомогою таких механізмів, як маховик, пружини, підйомник тощо. Ці механізми віддають енергію робочій машині або одразу, як маховик, або у певні моменти часу, як пружина.

Механічні акумулятори бувають інерційні та пружні. У пружних для накопичення енергії використовуються пружні властивості тіл. Прикладом найпростішого буферного акумулятора є резинові амортизатори, які застосовуються в авіації для шасі літаків.

Інерційний акумулятор під’єднується до генератора, який працює за рахунок вітродвигуна. І генератор працює то безпосередньо від двигуна, то від інерційного акумулятора. Переключення залежить від тривалості поривів вітру. В результаті вітроустановка дає достатньо рівну енергію, незважаючи на пульсуючий характер вітру. Основним недоліком інерційних акумуляторів є втрати на тертя повітря.

Електричні акумулятори - пристрої, які дозволяють накопичувати і зберігати електричну енергію у вигляді постійного струму і витрачати її за графіком споживання. Елемент електричного акумулятора - це посудина з розведеною сірчаною кислотою і електроди – свинцеві пластини, занурені в неї. Ємність акумулятора – це кількість Ампер-годин, які акумулятор може віддавати в мережу. Вона залежить від числа і розмірів пластин, а також від сили розрядного струму. Чим повільніше відбувається розрядження, тим більшою виявляється ємність акумулятора. К.К.Д. акумулятора – це відношення роботи, отриманої при повному розрядженні до роботи, затраченої на зарядження. Він коливається в межах від 70% до 80%. Електричні акумулятора працюють тільки на постійному струмі. Тому перед зарядженням змінний струм треба перетворити в постійний, а при розрядженні постійний струм акумулятора трансформується в змінний струм мережі. Таке подвійне перетворення знижує к.к.д. акумуляторної батареї і збільшує затрати вітроустановки.

Гідроакумулятор – це силова установка, де енергія вітру або будь-яка інша енергія перетворюється в потенційну енергію у вигляді піднятої на деяку висоту води, яка при падінні може виконати роботу.

Тепловий акумулятор – споруда, в якій енергія вітру перетворюється в тепло, яке запасається або у вигляді гарячої води для підігріву приміщень, або у вигляді пари, яка використовується в паровій машині або турбіні, або для опалення. В останньому випадку, в період, коли потужність вітроустановки перевищує навантаження, необхідне споживачу, надлишок електроенергії спрямовується в електричні котли, в яких вода нагрівається до пароутворення, а потім використовується в системах опалення.

Акумулятори стисненого повітря використовують пружні властивості повітря. Стиснене повітря запасається під великим тиском в балонах чи резервуарах. Так кінетична енергія вітру за допомогою вітрокомпресорної установки може бути перетворена в потенціальну енергію стисненого повітря, яку можна використовувати для роботи повітряних турбін. Робота розширеного повітря в двигуні становить не більше 60% від роботи, затраченої на стиснення повітря в компресорі. Вага акумулятора стисненого повітря незалежно від ступеня стиснення дорівнює приблизно 18 кг на 1 кг повітря.