Ветряное колесо (ветряк) известно очень давно: человек применял его как источник механической энергии еще 5500 лет назад. Масштабы использования ветряного колеса не соответствуют уровню энергетического запаса воздушного океана. Ветер является перспективным источником энергии. Во многих странах ветер способен в десятки и сотни раз перекрыть их энергетические потребности.
_____________________________________________________________________
➡️Но прежде, чем мы продолжим, я прошу вас подписаться на наш канал @beshistory. Нам это очень важно⬅️
_____________________________________________________________________
В наше время, когда запасы полезных ископаемых скрупулезно подсчитываются, взгляды энергетиков все чаще и пристальнее останавливаются на источниках энергии, которые должны заменить природное топливо.
Как устроен ветряной двигатель?
И какие проблемы, связанные с ним, беспокоят сегодня специалистов?
Когда смотришь на ветряк, незатейливо сооруженный детьми на крыше, то возникает ощущение исключительной простоты и доступности этого двигателя: перекладина с флажком-флюгером и пропеллер, установленный на оси. В действительности ветряная энергетическая установка — это сложное, тяжелое и дорогое сооружение. Ветряное колесо испытывает большое осевое давление ветра, поэтому его устанавливают на прочной башне. Раньше башни строили из дерева, сейчас из металла или железобетона; металлоемкость современной башни составляет около 40 % общей массы агрегата.
Энергия передается от ветряного колеса к потребителю, как правило, с помощью валов, зубчатых колес, редуктора. И пропеллер совсем не тот, что мы видим у детского ветряка — это целый механизм! Лопасти современного ветряного колеса установлены в ступице на подшипниках и имеют возможность поворачиваться относительно своей продольной оси. За их положением следят специальный центробежный регулятор и приборы. Зачем это нужно? Мощность, которую способно развивать ветряное колесо, пропорциональна скорости ветра в кубе, а частота его вращения, соответствующая оптимальной нагрузке, пропорциональна скорости ветра в квадрате. При больших скоростях ветра колесо (даже при нагрузке) пойдет вразнос и разрушится. Поэтому и применяют различные устройства, управляющие положением лопастей.
Известны другие способы регулирования работы ветряного колеса, например с помощью тормозных подкрылок, автоматически выводящих колесо из-под ветра.
Совсем как у самолета при посадке. Для большей эффективности регулирования не исключено применение более чувствительных систем, управляемых микропроцессорными устройствами. Пытаются решить задачу и путем “саморегулирования” колеса, используя для торможения струи воздуха, выбрасываемые при вращении колеса. Нормальная частота вращения — торможения почти нет, повышенная — торможение резко возрастает, ограничивая возрастание частоты вращения (центробежная сила пропорциональна частоте вращения в квадрате). Однако такое колесо отличается сложностью конструкции.
Как же современные ветряные установки реагируют на направление ветра?
Ведь оно так непостоянно! По-прежнему с помощью флюгера? Маломощные установки — именно так. Флюгер вынесен далеко назад, за ветряное колесо, и превращен в “хвост”. Но с ориентацией мощного двигателя хвосту не справиться. Здесь применяют так называемые виндрозные механизмы. Виндроза представляет собой две крыльчатки установленные на горизонтальном валу. Между ними расположен червяк, который находится в зацеплении с зубчатым колесом подвижной рамы. На раме установлен ветряной двигатель. Вал виндрозы перпендикулярен оси двигателя. Когда ветер дует точно по оси ветряного колеса, виндроза не вращается. При отклонении ветра от оси лопасти виндрозы начинают вращаться, поворачивая раму установки на опорном кольце 2 и устанавливая ось ветряного колеса по ветру.
Как можно увеличить мощность ветряных установок?
Увеличением числа лопастей на ветряном колесе или повышением частоты его вращения. Однако чем больше лопастей на колесе, тем медленнее, при прочих равных условиях, оно вращается.
Такие “тяжелые” машины имеют большой период разгона и невысокую рабочую частоту вращения ротора. Генераторы электрической энергии обычно машины высокоскоростные. Для увеличения частоты вращения приходится применять промежуточные механизмы – редукторы. Это снижает КПД ветряных установок, который и так невелик. Быстроходные ветряные двигатели имеют очень малый начальный (пусковой) момент. Ветряное колесо такого двигателя диаметром 10 м и более при небольших скоростях ветра (3—4 м/с) практически бездействует.
Расчеты показывают, что если бы современные ветряные электростанции средней и большой мощности стали работать при минимальной скорости ветра 4 м/с вместо 5 м/с, то ежегодная выработка энергии увеличилась бы на 6 %. Как это сделать?
Одно из возможных решений — применять пневматические или электрические пусковые устройства, то есть стартеры, всем известные из практики эксплуатации двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Разогнавшись, двигатель уже способен принять нагрузку. Разработаны оригинальные конструкции ветровых двигателей. Так, одна из них предусматривает установку соосно двух ветровых колес, которые будут вращаться в разные стороны. При этом одно колесо связано с ротором генератора, а другое – со статором. Частота вращения ротора относительно статора удваивается.
В Московском энергетическом институте разработан ветряной агрегат, в котором генератор совмещен с колесом. На ободе колеса этой машины размещены постоянные магниты, образуя якорь, а статор выполнен в виде сегментов с обмотками. При частоте вращения колеса 30—40 об/мин линейная скорость магнитов достигает 100 м/с. Такая установка будет работоспособна при слабом ветре (до 1 м/с).
За последние годы в нашей стране создан ряд унифицированных ветряных агрегатов мощностью от 1 до 30 кВт, которые успешно работают в местах, где среднегодовая скорость ветра превышает 3,5 м/с. Завершена работа над ветряным двигателем мощностью 100 кВт с диаметром колеса около 30 м.
Простые ветряные установки мощностью от 1 до 100 кВт разработаны в научно-производственном объединении “Ветроэн”. Их можно устанавливать на грузовых автомобилях, судах и других транспортных средствах. Практически, не снижая скорости движения, они позволяют заряжать аккумуляторы, отапливать салоны и т.д., что особенно полезно на стоянках.
________________________________________________________________________
Читайте также:
________________________________________________________________________
Подписывайтесь на канал, ставьте 👍, если вам понравилось, пишите комментарии, а также будем признательны за рассылку наших статей вашим друзьям и близким. Нам — продвижение, вам — качественный контент
