1.8. Веу з підвищеним ккд використання енергії слабких вітрів

На рис. 1.8.1 і 1.8.2 показана вітроенергетична установка з підвищеним ККД використання енергії слабких вітрів. Вона являє собою круглу решітчасту конструкцію каркаса для закріплення великої кількості конфузорів, які розташовані по колу в декілька ярусів по висоті так, що в горизонтальних площинах вузькими отворами вони направлені в бік лопатів, що обертаються (дивись рис. 1.8.2). Лопаті виконані у вигляді напівсфер і закріплені на решітчастих лінійних конструкціях, які прикріплені до трьох дисків, що обертаються, останні за допомогою спиць 4 прикріплені до обертаємої довгої вісі 2, яка обертається в підшипниках 3, закріплених в центрі круглої решітчастої конструкції каркаса ВЕУ.

В нижній частині великої обертаємої вісі прикріплено перше колесо 7 радіуса R_в редукторної ремінної передачі 8, яка забезпечує обертання другого колеса 7, радіуса Rм за допомогою ремінної редукторної передачі. Друге колесо 7 з радіусом Rм редукторної передачі скріплено з другою рухомою віссю 9, яка обертається в опорних підшипниках, установлених в спеціальних кронштейнах 10 і скріплена з ротором електричного генератора 11.

Оскільки радіус R_м другого редукторного колеса менше радіуса R_в першого колеса, то кутова швидкість ω_м обертання малої вісі, а разом з нею і ротора електрогенератора буде перевищувати кутову швидкість ω_в обертання першого колеса редукторної ремінної передачі відповідно до формули:

. (1.8.1)

Наприклад, якщо R_в=0.5м, R_м=0.25м, то кутова швидкість обертання ротора електрогенератора ω_м буде в 2 рази перевищувати кутову швидкість ω_в обертання великої вісі ВЕУ, тобто ω_м=2ω_в.

Відповідно до рис. 1.8.2 ззовні обертальної частини конструкції по вертикалі встановлено 5 конфузорів, конструкція і розміри яких показана на рис. 1.8.3.

Взаємна залежність між сторонами переднього та заднього отворів Н₁ і Н₂ конфузора рис. 1.8.3 може бути визначена за допомогою формули:

, (1.8.2)

де H₁,H₂ – сторони переднього і заднього квадратних отворів; L – довжина конфузора; b – кут конусності конфузора.

Потужність Р_в на виході п’яти конфузорів, які розташовані по вертикалі (рис.1.8.1) визначається відповідно до виразу:

(1.8.3)

де ρ – густина повітря; 5 – число конфузорів, розташованих по вертикалі ; S – площа вихідного квадратного отвору конфузора S=H₂²; V – швидкість вітру на вході конфузора; W – коефіцієнт концентрації енергії вітру в конфузорі (інакше кажичу, коефіцієнт підвищення швидкості V вітру на виході конфузора). Коефіцієнт W визначається через співвідношення W=H₁²/H₂²; R – коефіцієнт втрат швидкості вітру при його проходженні через конфузор, який визначається в підрозділі 1.6 відповідно до формули (1.6.13).

Відповідно до рис.1.8.1 лопаті в горизонтальній площині повинні бути розташовані так, щоб було відсутнє їх взаємне затінення в процесі обертання трьох дисків (див. рис. 1.8.2).

Рис. 1.8.1 Розташування лопатей без взаємного їх затінення

Косинус кута а може бути виражений відповідно до формули:

(1.8.4)

де d – діаметр лопаті; Rd – радіус трьох обертаємих дисків (див. рис. 1.8.2); а – кут оптимального розташування лопатів по горизонталі.

Відповідно до рис. 1.8.3a число m лопатей в горизонтальній площині може бути визначено за виразом:

(1.8.5)

Конфузори в горизонтальній площині (рис. 1.8.3) повинні бути розташовані так, щоб їх вихідні отвори були установлені паралельно до лопатів з урахуванням оптимального кута a розташування останніх. На рис.1.8.3б лінія 7 являється дотичною до зовнішнього кола обертання лопатів в точці установки конфузора, яка проведена перпендикулярно до радіуса Rd великого диску, тому кут a₁ (рис.1.8.3) може бути визначений відповідно до формули: с₁=(π/2)–a.

Рис. 1.8.2 Структура ВЕУ по вертикалі:

1–каркас пристрою для закріплення конфузорів; 2–рухома вісь обертання;

3–підшипники обертання опорного вала; 4–спиці колес обертання; 5–вертикально розташовані конфузори; 6–лопаті для прийому вітрових потоків; 7–колеса редукторної передачі; 8–ременна передача обертання;

9–друга рухома вісь обертання; 10–кронштейн для закріплення другої вісі обертання; 11–електрогенератор.

а) б)

Рис.1.8.3 Структура ВЕУ в горизонтальному положенні:

1–конфузори; 2–каркас для кріплення конфузорів; 3–лопаті для прийому вітрових потоків; 4–спиці коліс обертання; 5–кут а оптимального розташування лопатів; 6–кут b конусності конфузора; 7–дотична лінія до зовнішнього кола обертання лопатей; 8–кут нахилу вихідного отвору конфузора відносно дотичної лінії 7; 9–диск кріплення лопатей.

Рис. 1.8.4 Конструкція конфузора.

Відповідно до рис.1.8.3б кут нахилу конфузора до дотичної лінії, повинний дорівнювати значенню кута с₁, оскільки лінія 7 перетинає дві паралельні лінії (лопаті і вихід конфузора розташовані паралельно), а число конфузорів в горизонтальній площині повинно дорівнювати числу m відповідо до формули (1.8.5).

Таким чином, загальне число N конфузорів може бути визначено за формулою: , де n – число конфузорів по вертикалі.

Із розділу 1.6 відомо, що в конфузорі мають місце два види втрат швидкості вітру V:

- втрати за рахунок звуження;

- втрати за рахунок його довжини.

Відповідно до формули (1.8.2) можна виразити коефіцієнт концентрації W через довжину L конфузора та величину кута конусності b наступним чином:

(1.8.6)

Відомо, що швидкість вітру V на виході конфузору збільшується відносно швидкості вітру V_в на його вході в W разів в ідеальному варіанті, тобто V=V_в∙W.

З урахуванням коефіцієнта втрат R швидкості вітру V в конфузорі, реальна швидкість вітру V_р на виході конфузора може бути визначена відповідно до формули V_р=V_вW(1–R)

Потужність P(V_в) електроенергії, яка виробляється на виході запропонованої ВЕУ, може бути визначеною за формулою:

(1.8.7)

де n – число конфузорів по вертикалі (див. рис. 1.8.1); k₂ – коефіцієнт збільшення площини лопаті в порівнянні з площиною вихідного отвору конфузора; ρ – густина повітря; η₁ – ККД перетворення вітрової енергії в механічну енергію обертання; η₂ – ККД перетворення механічної енергії обертання в електричну.

Потужність P(V_в), яка визначається відповідно до формули (1.8.7), вимірюється в Вт/сек. Реальна енергія вимірюється в кВтгод. Якщо потужність P(V_в) домножити на 3.6, то отримаємо кількість енергії, в кВтгод. Якщо цю енергію помножити на вартість С_в = 0.24 грн. однієї кВтгод електроенергії, потім ще помножити на 24 (число годин на добу) та ще помножити на 30 (число діб на місяць), то при цих умовах очікуваний прибуток D за місяць від даної описаної ВЕУ можна визначити відповідно до формули:

(1.8.8)

Лінійну швидкість V₁(v) обертання, в залежності від швидкості вітру V_в на вході, обертання лопатів можна визначити відповідно до формули .

При цьому кутова швидкість ω обертання першого великого) диска редукторної передачі ω(v)=V₁(v)/R_в, де R_в – радіус великого колеса.

Як було показано вище (див. формулу 1.8.1) кутова швидкість ω_м обертання ротора генератора буде більше в 2 рази при вказаних умовах, коли радіус R_м малого диска в 2 рази меньше відносно радіуса R_в.

В таблицях 1.8.1(а,б,в) приведені дані відповідно до потужності P(v) вимірюваної електричної енергії в кВтгод, яка може бути отримана протягом місяця та прибутка D(v) в гривнях за місяць в залежності від швидкості вітру V.

Приведені в таблицях 1.8.1(а,б,в) дані отримані при заданих параметрах довжини конфузора L, висоти отвору H₂ та кута b конусності конфузора. Як показують дані з таблиці 1.8.1(а,б,в) оптимальним варіантом конструкції конфузора являється L=0,3м; H₂=0,1 м і b=60⁰.

Таблиця1.8.1(а)

V	L=0,3м;H2=0,1м;b=600
м/с	P(v) вт-с	e(v) квтг	D(v)гр.
2	85,6	2,218*105	5,32*104
3	294,7	7,64*105	1,833*105
4	707,6	1,834*106	4,402*105
5	1,39*103	3,626*106	8,68*105
6	2,43*103	6,295*106	1,5*106

Таблиця1.8.1 (б)

V	L=0,15м; H2=0,1м;b=600
м/с	P(v) вт-с	e(v)квтг	D(v)гр.
2	4,85	1,257*104	3,017*103
3	16,69	4,326*104	1,038*104
4	40	1,038*105	4,412*104
5	78,965	2,047*105	4,912*104
6	137,42	3,562*105	8,549*104

Таблиця1.8.1(в)

V	L=0,3м; H2=0,1м;b=300
м/с	P(v)вт-с	e(v)квтг	D(v)гр.
2	3,8	9,867*103	2,368*103
3	13,33	3,456*104	8,295*103
4	32,37	8,391*104	2,014*104
5	64,33	1,668*105	4,014*104
6	112,66	2,92*105	7,009*104

Примітка: В таблицях 1.8.1 (а,б,в) не врахована непостійність існування вітру протягом місяця. Реальні значення енергії e(v) вітру та прибуток D(v) будуть менше на 30% – 40%.

В таблиці 1.8.2 приведені розрахункові дані відповідно до лінійної швидкості V₁(v) великого диска, та кутової швидкості ω_м(v) обертання ротора електрогенератора в залежності від швидкості вітру v на вході конфузора при оптимальних умовах.

Якщо в місті розташування опорного підшипника 3 (див. рис. 1.8.1) створити магнітну подушку за допомогою двох зустрічно направлених магнітів, один з яких буде розташований на рухомій вісі 2 обертання, то ККД запропонованої моделі буде суттєво підвищений.

Таблиця 1.8.2

V, м/сек	V1(v), м/сек	ωм, рад/сек
2	5,661	22,643
3	8,548	34,193
4	11,447	45,789
5	14,354	57,416
6	17,267	69,067

Таким чином, запропонована модель ВЕУ здатна забезпечити достатньо хороші техніко-економічні показники якості. Якщо такі ВЕУ установити на дахах висотних будинків в містах та забезпечити їх електронним обладнанням, разом з застосуванням сонячних панелей, то можна отримати неабиякий прибуток, покращити екологічну ситуацію у великих містах та створити достатню кількість робочих місць.

Якщо уважно розлянути рис. 1.8.5, то можна побачити, як на протязі заданого часу t обертаються дві суміжні лопаті з діаметром d. Кут а між розташованими лопатями, як уже було показано, визначається залежністю (де R_d i d відповідно радіус диска, на якому розташовані лопаті, та діаметром напівсферної лопасті). При такому куті а розташування лопатів з діаметром d вони мають мінімальний коефіцієнт взаємного перекриття.

Рис.1.8.5 Послідовність переміщення лопатей в процесі обертання протягом часу t

Рис. 1.8.6 Графік зміни робочого значення діаметру лопасті d відповідно до часу t переміщення при умові d=10м і R_d=50см

Як видно із рис. 1.8.5а лопаті, які розташовані під кутом а, взаємно не перекриваються. При переміщенні лопатів на кут y<(a/2) робочий діаметр dp зменьшується і буде дорівнювати dp=dcos(y). При подальшому переміщенні, коли y=(a/2), робочаий діаметр буде dp мати мінімальне значення dp_мін=dcos(a/2).

Далі при переміщенні робочий діаметр dp буде збільшуватись до значення d, а потім процес зміни значення робочого діаметра dp буде повторюватись, як це показано на рис.1.8.6, тобто dp_макс=d, dp_мін=dcos(a/2) і середнє значення dp_сер робочого діаметра лопаті може бути визначена формулою dp_сер=dcos(a/4). Таким чином, середній коефіцієнт К_зм зміни діаметра d лопаті може бути виражений, як співвідношення між dp_сер до d, тобто K_зм = dp_сер/d=cos(a/4). Не важко помітити, якщо лопаті розташувати під кутом, меньшим ніж кут а, то перекриття лопатів буде збільшуватись. Якщо ж лопаті розташувати під кутом більшим ніж а, то буде мати місце недостатність використаного робочого діаметра dp лопатів. Таким чином, кут а, має оптимальне значення відносно ефективного розташування лопатей на поверхні диску, який обертається.