Содержание
Устройство и принцип работы турбины
Содержание:
- Устройство и принцип работы турбины
- Условия нормальной работы турбонаддува
- Диагностика нагнетателя воздуха
Турбонаддув как средство повышения мощности любого двигателя, будь то бензиновый или дизельный агрегат, по праву считается самым высокоэффективным. Также данная система позволяет снижать токсичность отработанных газов за счет более полного сгорания топлива и снижения его потребления. Востребованность наддува в современном автомобилестроении объясняется еще и тем, что он осуществляется за счет энергии отработавших газов. То есть КПД данного узла не вызывает сомнений. Особенно, если речь идет о дизельных моторах, характеризуемых высоким показателем компрессии при достаточно небольшой частоте коленвала.
Дополнительным сдерживающим фактором для включения этого устройства в схему бензиновых силовых агрегатов является следующий факт: как работает турбина двигателя, не имеет особого значения, но этот процесс сопровождается высоким риском детонации и обязательным повышением температуры отработавших газов.
Устройство и принцип работы турбины
Принципиальная схема системы турбонаддува в ходе ее разработки претерпевала много изменений. На данный момент ее можно считать максимально модернизированной и упрощенной, что обеспечивает стабильность работы при низкой вероятности появления неисправностей.
Турбонагнетатель, являющийся главным компонентом системы повышения мощности, представляет собой крыльчатку с лопастями, которая вращается со скоростью, сравнимой только с данным показателем у стоматологического бура – не менее 100 000 об./мин. Это позволяет выполнять функцию компрессора, закачивающего в специальную камеру большие объемы воздуха. В ходе этой процедуры воздух сжимается, и поэтому автоматически нагревается – это и есть главный недостаток того, как работает турбина.
Интеркулер. В стремлении решить данный вопрос автоконструкторы продумывали массу способов для охлаждения воздуха в процессе его перехода в силовой агрегат. В результате был придуман так называемый интеркулер, название которого говорит за себя – он должен выполнять функцию промежуточного понижения температуры вещества, проходящего через него. Для того, чтобы обеспечивать данный процесс, в устройстве находится хладагент, что позволяет задействовать эффект теплообменника. Впрочем, в отдельных моделях охлаждающая жидкость отсутствует, и дело ограничивается лишь воздухообменом. Несмотря на достаточно сложную конструкцию, интеркулер способен не только на порядок снижать вероятность детонации двигателя, но и повышать мощностной показатель агрегата до 20%.
Принцип работы турбины в «дизелях» и бензиновых моторах абсолютно идентичен, разница заключается лишь в степени наддува. Для увеличения мощности дизельных агрегатов требуется больше давления, по этой причине они оборудуются более габаритными нагнетателями. Соответственно, у атмосферников они имеют меньшие размеры – если нарушить это правило, в камерах сгорания может начаться детонация топлива.
Регулятор давления. Он также является одним из главных компонентов системы и, по большому счету, работает как перепускной клапан, регулирующий энергию отработавших газов. Ведь работа турбины без такого ограничителя приводит к тому, что в какой-то момент давление воздуха становится избыточным, что и приводит к детонации. Поэтому регулирующий механизм обеспечит оптимальное давление воздуха, отводя часть отработанных газов от крыльчатки турбокомпрессора. Данный клапан может иметь как пневмо- так и электрический привод, но в любом случае его активация происходит от электронного датчика давления.
Кроме того, в некоторых моделях нагнетателей присутствует и предохранительный клапан, который защищает узел от скачков давления. А такие колебания в сторону увеличения очень часто происходят во время резкого закрытия дроссельной заслонки, когда потребность в воздухе для полноценного сгорания топлива мгновенно уменьшается. Чтобы стравить избыток давления, предохранительный клапан выпускает воздух в атмосферу за счет спецклапана либо перепускает его на вход компрессора.
Условия нормальной работы турбонаддува
Как и любой узел двигателя, турбокомпрессор требует соблюдения определенных правил эксплуатации. В противном случае увеличение мощности становится незначительным, а потребление горючего резко возрастает. Приведем несколько основных нюансов, которые обязательно стоит учитывать владельцам турбированных автомобилей.
1. Когда коленвал мотора вращается, а масляная помпа нагнетает масло, принцип работы турбины двигателя полностью соблюдается. Однако в момент остановки агрегата обездвиживается и жидкостный насос, что приводит к моментальному падению давления масла в системе до нулевой отметки. В то же время вал с крыльчаткой нагнетателя, имеющий весьма приличный вес, по инерции продолжает вращаться на высоких оборотах. При этом так называемый масляный «клин» уже отсутствует, смазывающий материал приобретает полужидкую или пограничную консистенцию. Это вызывает в подшипниках перегрев, в результате которого они часто заедают. Кроме того, если моторное масло давно не менялось, оно тоже вызывает интенсивный износ элементов системы. И особенно тех же самых подшипников качения, испытывающих большие нагрузки.
2. Выводы из описанной ситуации закономерны: чтобы в то время, как работает турбина и после остановки двигателя не возникало проблем, нужно вовремя менять моторное масло. А заодно и фильтр. Помимо этого, заливать в агрегат следует только ту смазку, которая специально предназначена для турбодвигателей. Выбрать ее из широкого спектра предлагаемых сегодня хороших масел – дело пары минут.
3. В дороге может случиться что угодно, в том числе и «погнать» масло. В таких случаях вполне допустимо долить любую смазку, лишь бы доехать до места ремонта. Однако при этом гнать ни в коем случае нельзя: если «сердце» автомобиля и перетерпит неизвестную марку масла, то система турбонагнетания вряд ли. Разумеется, по приезду домой следует сразу же слить весь смазывающий материал и залить рекомендованный производителем. Причем весьма желательно произвести замену и масляного фильтра, так как его активные элементы тоже способны пострадать от непривычной смеси.
4. Данное условие нормальной работы турбонагнетателя можно с уверенностью назвать самым главным. Как известно, для двигателя есть два очень ответственных момента – запуск и остановка. А в момент старта в агрегате масло имеет высокую степень вязкости, из-за чего с трудом прокачивается по тепловым зазорам. И даже если мотор частично прогрелся, тепловое расширение у компонентов турбокомпрессии будет разным. По этой причине перед началом поездки следует хорошенько прогреть двигатель – тем самым водитель обеспечивает и эффективную работу турбины.
Во-вторых, во время остановки не рекомендуется сразу же глушить мотор. Он должен на холостом ходу поработать хотя бы пару минут, причем зимой этот временной интервал должен составлять минимум 5 мин. Это нужно для того, чтобы крыльчатка, насаженная на вал с подшипниками, снизила свое вращение до минимального показателя. Кроме того, требуется время, чтобы сильно нагретые во время интенсивной работы вал и крыльчатка постепенно остыли. Этому процессу будет способствовать и масло, по-прежнему нагнетаемое с большой интенсивностью: оно охладит вал и подшипники, при этом само не успеет нагреться.
Если не соблюдать данное правило, то при внезапной остановке двигателя поступление масла в систему прекратится, а очень нагретая крыльчатка нагнетателя отдаст почти все свое тепло валу. В итоге масло, обволакивающее компоненты компрессора, разогреется до температуры, близкой к температуре возгорания. При этом начинает интенсивно образовываться нагар в месте «посадки» уплотнительного кольца. Несколько меньше этот процесс касается корпуса турбины и подшипников качения. И спасти систему от поломки сможет только масло, предназначенное для турбированных двигателей – оно рассчитано на большую рабочую температуру, чем стандартная синтетика и полусинтетика. Однако даже такая смазка имеет предел своих возможностей.
Диагностика нагнетателя воздуха
Как определить без специальных приборов, что турбокомпрессор сломался? Во-первых, об этом свидетельствует падение мощности мотора. При этом из глушителя валит плотный белый дым, а расход смазывающего материала нередко вырастает до нескольких литров на 100 км. Это означает, что нагнетатель нужно немедленно сдавать в ремонт либо покупать новый – иногда замена изношенных подшипников и уплотнительного кольца не дает положительного результата.
Во-вторых, часто возникают ситуации, когда белая дымовая «завеса» как таковая отсутствует. Вот только двигатель никак не может выйти на положенную ему мощность, и никакого сигнализатора на панели приборов не загорается. Выход у владельцев турбированных автомобилей только один – срочный заезд в автосервис. Владельцам турбодизелей проще: о проблеме с нагнетателем воздуха красноречиво свидетельствует черный дым на холостых оборотах. Причем далеко не факт, что турбосистема безнадежно отказала – она может быть просто изношенной и вполне ремонтопригодной.
Выбрать инструктора:
Автоинструктор Анатолий
Автоинструктор Яков
Автоинструктор Виктор
Автоинструктор Юлия
Автоинструктор Марина
Автоинструктор Лариса
Автоинструктор Игорь
Автоинструктор Юрий
Автоинструктор Ася
Автоинструктор Алексей
Отзывы:
Все отзывы
Принцип работы современной турбины
21. 11.2014 /
25.04.2018
•
1652 /
42
Автомобильный двигатель не может работать без воздуха – для сжигания 1 литра бензина его требуется не менее 11 тыс. литров! Но чтобы проникнуть в цилиндры, воздуху приходится преодолеть фильтр, впускной коллектор, обогнуть дроссельную заслонку да еще и протиснуться в щель между клапаном и его седлом. Потому неудивительно, что потребность мотора в данном веществе никогда не удовлетворяется полностью. В лучшем случае – на 90-95%.
Иное дело, если воздуху придать ускорение при помощи специальных устройств, которых за более чем столетнюю историю автомобилестроения было придумано немало. Здесь и приводной компрессор, и динамический с резонансным наддувом, и, конечно, турбокомпрессор. О нем и поговорим.
Как работает?
Турбонаддув включает в себя следующие элементы: турбокомпрессор, регулятор давления наддува и зачастую охладитель (интеркулер). Турбокомпрессор представляет собой центробежный воздушный насос («холодная крыльчатка»), расположенный на одном валу с газовой турбиной, которую раскручивает поток отработавших газов («горячая крыльчатка»). Сам вал установлен на подшипниках скольжения или качения. Первые применяют чаще, поскольку масло, подаваемое к подшипникам, обеспечивает дополнительное охлаждение турбонагнетателя. Отработавшие газы раскручивают турбинное колесо до 50 – 200 тыс. об/мин (в зависимости от конструкции и режима работы).
Вместе с турбинным, естественно, вращается и насосное колесо, загоняя в цилиндры необходимое количество воздуха. Последний после сжатия лопатками «холодной крыльчатки» нагревается. Да так, что в некоторых случаях может возникнуть калильное зажигание, не говоря уже об элементарной детонации. Вдобавок у горячего воздуха плотность меньше, чем у холодного. Следовательно, и попадает его в цилиндры гораздо меньше, чем рассчитывали. Потому между нагнетателем и двигателем начали установливать охладитель, он же интеркулер – воздушный радиатор.
Характеристики мотора напрямую зависят от давления наддува: чем больше воздуха удастся загнать в цилиндры, тем мощнее будет двигатель. При определенном стиле вождения появляются и другие плюсы – снижается расход топлива, мотор не боится горных дорог, где обычные двигатели буквально задыхаются от нехватки кислорода в разреженной атмосфере.
Однако стоит заметить, что при установке на серийный мотор слишком производительного турбокомпрессора (высокого давления) или при перепрограммировании его блока управления, вопервых, требуется усилить буквально все основные детали – начиная с поршней, которые делают коваными и дополняют масляным охлаждением, и заканчивая специальными прокладками и коллекторами. А вовторых, при наддуве высокого давления чаще встречается такое неприятное явление как «турбояма» – отсутствие тяги на «низах» и скачок мощности после раскручивания. Возникает оно изза того, что на малых оборотах крыльчатки турбины вращаются со сравнительно небольшой скоростью и подают меньше воздуха, чем необходимо. Зато после раскручивания турбонагнетатель явно перевыполняет план.
Решением этой проблемы занялись лет двадцатьтридцать назад, когда начали использовать специальные подшипники низкого трения, оптимизированные коллекторы, многоклапанные головки и т. д. А на моторы большого рабочего объема и вовсе установили по две турбины – ведь два малых турбокомпрессора раскручиваются намного быстрее, чем один большой (Audi RS6, Maybach 62). Но самым эффективным способом заставить турбомотор нормально тянуть, начиная с «низов», стало применение регуляторов давления.
Регуляторы
Все турбонаддувы можно условно разделить на два типа – низкого (0,20,8 бара) и высокого давления (0,82 бара). Первый, как показала практика, может вообще обходиться без регуляторов. К примеру, на мотор Saab 95 V6 Ecopower Turbo объемом 3,0 л установлена относительно маломощная, поэтому и менее «задумчивая» турбина Garrett. Интересно, что для достижения максимального давления 0,25 бара она использует энергию отработавших газов лишь трех цилиндров из шести. На больших оборотах турбонагнетатель не может как следует разогнаться, что и обеспечивает низкое давление наддува. Электронно управляемая заслонка в этой турбине тут же открывается при любом нажатии на педаль газа. Это позволяет турбине немедленно получать необходимое количество отработавших газов для того, чтобы закачивать в цилиндры больше воздуха. Как только «воздушный насос» раскрутился, заслонка возвращается в положение, соответствующее заданному числу оборотов двигателя. В результате максимальный момент 310 Нм этот мотор выдает при 2100 об/мин.
Но это исключение из правил. Обычно в качестве регуляторов давления в турбодвигателях используют предохранительные клапаны – механические либо с электронным управлением. Первые открываются избыточным давлением наддуваемого воздуха, вторые имеют исполнительные механизмы, как правило, электромагнитные. Команду открытьзакрыть клапану дает ЭБУ двигателя, руководствуясь информацией целой группы датчиков: давления во впускном коллекторе, детонации, расходомера воздуха и т. д. Первым подобную систему применил Saab в 1981 году.
Давление наддува обычно регулируется с помощью клапанных систем, которые перепускают требуемое количество отработавших газов. Хотя встречаются модели, в которых избыточный воздух сбрасывается прямо под капот, что не совсем выгодно с точки зрения экономичности. Впрочем, и первый способ не идеален. Ведь значительное количество отработавших газов не выполняет никаких полезных действий. Вот если бы объединить две турбины в одной! Тогда бы одна использывалась для малых оборотов двигателя, а другая – для максимальных. При этом перепускной клапан использовался бы эпизодически.
Что такое VTG?
Турбонагнетатель с изменяемой геометрией VTG (Variable Turbo Geometry) – это вовсе не турбина с поворотными крыльчатками. Реализовать подобное затруднительно. Но зато ничто не мешает сделать подвижным направляющий аппарат, который в зависимости от нагрузки дозировал бы количество и скорость поступающих на «горячую крыльчатку» отработавших газов. Самый простой вариант использовали в роторном моторе Mazda RX7 в конце 80х. Здесь струя выхлопных газов была разделена на два потока. На малых оборотах они воздействовали только на верхнюю часть турбинного колеса. При достижении определенной частоты вращения коленвала срабатывал клапан, после чего отработавшие газы подавались уже на всю поверхность крыльчаток. Правда, оказалось, что данная система хорошо работала только в паре с роторнопоршневым двигателем Ванкеля.
Более удачной оказалась идея с несколькими поворотными лопатками, закрепленными в специальной обойме. Они регулировали скорость и давление потока отработавших газов в зависимости от режима работы. В грузовых автомобилях первой удачно применила этот метод фирма Mitsubishi в середине 80х, а в легковых – Audi и Volkswagen – фирма Allied Signal (Garrett) в 1995 году. Позже VTGнагнетатетелями обзавелись легковые дизели BMW и MercedesBenz, а также AlfaRomeo. К слову, нечто подобное устанавливалось на советские танковые дизели с середины 60х.
Но пока, к сожалению, такая система прижилась только на дизельных моторах. Дело в том, что нежный направляющий аппарат теряет подвижность после долгой работы при высоких температурах выхлопных газов. Сравним 1050°С для бензинового двигателя и всего 600°С для дизеля. Кроме того, турбина с переменной геометрией дороже, чем обычная. А ее надежность и долговечность всетаки поменьше. Поэтому в ближайшее время вопрос о том, каким должен быть идеальный наддув, остается открытым. Один из перспективных путей – применение комбинированного наддува. К примеру, на малых оборотах воздух в цилиндры нагнетает приводной компрессор, а уже со средних в дело вступает турбонаддув.
Что такое газовая турбина и как она работает? (Для начинающих)
В этой статье и видео ниже вы узнаете, что такое газовая турбина и как она работает в очень удобном формате.
Двумя наиболее распространенными сферами применения газовых турбин в современной промышленности являются турбогенераторы и турбокомпрессоры.
Пытаюсь приблизиться к газотурбогенератору (ГТГ), чтобы лучше прочувствовать предмет.
Обзор газовой турбины
Итак, как работает газовая турбина? На газотурбинной электростанции есть генератор, представляющий собой электрическую машину. Но для выработки электроэнергии этому генератору нужен первичный двигатель, которым в моем примере является газовая турбина.
Газовая турбина преобразует химическую энергию топлива, например, природного газа или аналогичного топлива, в механическую энергию.
Механическая энергия, генерируемая выходным валом турбины, затем передается через редуктор на вал генератора.
Теперь мой генератор может вырабатывать электроэнергию.
Эта примитивная форма электрической энергии обычно имеет низкий или средний уровень напряжения, и для лучшего управления потерями мощности в линиях электропередачи это напряжение следует повышать с помощью повышающих трансформаторов.
Такие трансформаторы обеспечивают необходимый уровень напряжения для электрической энергии, которая будет передаваться по линиям электропередачи и доставляться в сеть.
После этого краткого обзора примера приложения газовой турбины я собираюсь более подробно изучить механизм газовой турбины.
Газовая турбина Основные принципы работы
Во-первых, представьте себе ракету, в которой сгорает некоторое количество топлива и образуется выхлопной газ под высоким давлением. В соответствии с законом сохранения энергии химическая энергия топлива преобразуется в механическую энергию выхлопных газов высокого давления.
При запуске ракеты тяга выхлопных газов толкает ракету вперед. Этого количества ракетостроения мне достаточно, и теперь предположим, что я закрепил корпус ракеты прочной механической конструкцией, чтобы предотвратить ее движение. Что произойдет?
Выхлопной газ высокого давления должен быть выпущен, и у него не будет другого пути, кроме как назад!
Теперь помните об этой конструкции и представьте, что я поставил набор лопаток турбины на пути этого обратного выхлопа высокого давления.
Вы видите, что высвобождение механической энергии, которое в основном происходит в «линейном» обратном направлении, будет большей частью трансформироваться в своего рода «вращательное» движение вала турбины, и пока я бы сказал, что это большой успех, т. е. преобразование химической энергии топливного газа в механическую энергию вращения вала турбины.
Теперь у меня есть «Первичный двигатель» для моего генератора в приведенном выше примере электростанции. Кроме того, эта концепция первичного двигателя может использоваться в различных приложениях, таких как турбокомпрессоры и т.п.
Теперь, когда я изучил основы газовых турбин, давайте сосредоточимся на современной газовой турбине и ее компонентах.
Компоненты газовой турбины
Скорее всего, вы знаете о «Треугольнике огня» или «Треугольнике горения», который иллюстрирует необходимые ингредиенты огня или горения, то есть « Топливо» , « Воздух» и « Тепло» .
Чтобы преобразовать химическую энергию топливного газа в механическую энергию, топливо должно сжигаться в «камере сгорания» газовой турбины, поэтому мне нужен воздух и тепло, добавляемые к топливу.
Воздух подается в газовую турбину через «Воздухозаборник» и смешивается с соответствующим количеством природного газа. Соотношение воздух/газ определяется на основе удельной теплотворной способности газа и качества воздуха, количества влаги, высоты над уровнем моря и так далее.
Теперь в дело вступает система зажигания, которая создает первоначальные искры, благодаря чему обеспечивается тепло.
При установлении и стабилизации пожара в камере сгорания система зажигания будет выведена из строя.
Наиболее важным процессом при нормальной работе турбины является управление сгоранием и производство надлежащего количества выхлопных газов под высоким давлением.
Этот выхлопной газ подается на лопатки турбины и после вращения вала турбины направляется в выхлопную трубу.
Судя по этому беглому обзору ключевых компонентов газовой турбины, пришло время уменьшить высоту и доработать систему.
Приборы для газовых турбин
Как упоминалось ранее, воздух подается в газовую турбину через воздухозаборник.
Воздух подвержен загрязнению или содержит некоторые нежелательные частицы, которые могут повредить систему и ухудшить общую производительность. Просеивание и фильтрация являются основными требованиями к поступающему воздуху.
Кроме того, на воздуховоде установлены соответствующие приборы для контроля давления тяги и температуры.
В неблагоприятных условиях воздух может нуждаться в предварительном подогреве или кондиционировании. Кроме того, контроль перепада давления на воздушных фильтрах предупредит оператора турбины о засорении фильтра.
Кондиционированный воздух подается в «турбинный воздушный компрессор » , который представляет собой осевой компрессор, состоящий из многоступенчатых лопаток, установленных радиально на входном валу турбины.
Давление нагнетания и температура воздушного компрессора контролируются для управления качеством сгорания в камере сгорания.
«Топливный газ» является ключевым фактором в конструкции и эксплуатации газовой турбины. Производителям необходимо знать особенности топливного газа, и только на основе его характеристик они могут гарантировать работоспособность своих газовых турбин.
Также контролируются давление и температура топливного газа во время нормальной работы газовой турбины.
Существуют различные технологии правильного смешивания воздуха и газа и обеспечения эффективного сгорания от производителя к производителю.
Камеры сгорания представляют собой трубчатые жаропрочные конструкции, впрыск топлива в которые осуществляется обычно по окружности и в разных местах поперечного сечения.
Температура в различных местах камеры сгорания тщательно контролируется с помощью соответствующих датчиков, таких как термопары.
Эта зона высокой температуры/высокого давления в конструкции газовой турбины имеет наивысший уровень важности для контроля и управления.
Также технологии, используемые при проектировании и строительстве камеры сгорания, являются одними из самых передовых.
Теперь, когда смешивание воздуха и газа хорошо организовано и сгорание происходит должным образом, образуется большое количество выхлопных газов высокого давления/высокой температуры, которые следует подавать на лопатки газовой турбины, чтобы обеспечить вращение выходного вала турбины. достижимый.
На этом этапе необходимо тщательно контролировать высокие обороты ротора газовой турбины, и в зависимости от нагрузки, создаваемой турбиной, помпаж турбины приобретает первостепенное значение для производительности турбины и ее защиты.
Вибрации (осевые и радиальные) и скорости как воздушного компрессора, так и газовой турбины должны постоянно учитываться.
Это был самый простой способ обращения к основным частям газовых турбин, и как одна из самых сложных машин, созданных человеком, газовая турбина заслуживает более подробного рассмотрения. Кроме того, существуют различные технологии, которые некоторые производители используют в качестве собственных и которые в данной статье не рассматривались.
У вас есть друг, клиент или коллега, которому может пригодиться эта информация или он хочет узнать, как работает газовая турбина? Пожалуйста, поделитесь этой статьей.
The Realpars Team
Поиск для:
Инженер по автоматизации
Опубликовано 8 апреля 2019 г.
Mike Sultan
Инженер по автоматизации
Опубликовано 8 апреля 2019
Принцип работы ветряной турбины – Consenge SP
Nós projetamos или futuro!
- Дом
- Энергия
- Принцип работы ветряной турбины
Автор: admin
13 августа 2015 г. в Agrar Energy
Ветровые системы, существующие над земной поверхностью, являются результатом колебаний атмосферного давления. Это, в свою очередь, связано с изменениями в солнечном нагреве. Теплый воздух поднимается вверх, а на его место устремляется более холодный воздух. Ветер — это просто движение воздуха из одного места в другое. Существуют глобальные ветровые режимы, связанные с крупномасштабным солнечным нагревом различных регионов земной поверхности и сезонными колебаниями солнечного падения. Существуют также локальные ветры из-за разницы температур между сушей и морями или горами и долинами. Скорость ветра обычно увеличивается с высотой над землей. Это связано с тем, что неровности поверхности земли, такие как растительность и дома, замедляют скорость ветра.
Так как же ветряные турбины производят электричество? Проще говоря, ветряная турбина работает противоположно вентилятору. Вместо того, чтобы использовать электричество для производства ветра, как вентилятор, ветряные турбины используют ветер для производства электричества. Ветер вращает лопасти, которые вращают вал, который соединяется с генератором и вырабатывает электричество. Посмотрите анимацию ветряной турбины, чтобы увидеть, как она работает, или загляните внутрь. Ветер — это форма солнечной энергии, возникающая в результате неравномерного нагрева атмосферы солнцем, неровностей земной поверхности и вращения Земли. Характер и скорость ветрового потока сильно различаются по территории Соединенных Штатов и зависят от водоемов, растительности и различий в рельефе.
Данные о скорости ветра можно получить из карт ветров или в метеорологическом бюро. К сожалению, общая доступность и надежность данных о скорости ветра во многих регионах мира крайне низкая. Однако в значительных районах мира среднегодовая скорость ветра превышает 4-5 м/с (метров в секунду), что делает маломасштабное производство электроэнергии с использованием энергии ветра привлекательным вариантом. Важно получить точные данные о скорости ветра для участка, прежде чем можно будет принять какое-либо решение относительно его пригодности. Методы оценки средней скорости ветра можно найти в соответствующих текстах (см. раздел «Ссылки и ресурсы» в конце этого информационного бюллетеня).
Мощность ветра пропорциональна:
• площади ветряной мельницы, обдуваемой ветром
• кубу скорости ветра
• плотности воздуха – которая зависит от высоты
Формула, используемая для расчета мощности на ветру показано ниже:
P = ½.ρ.A.V 3
где P – мощность в ваттах (Вт)
ρ – плотность воздуха в килограммах на кубический метр (кг/м 3 )
A – рабочая площадь ротора в квадратных метрах (м 2 )
V – скорость ветра в метрах в секунду (м/с)
Тот факт, что мощность пропорциональна кубу скорости ветра, очень важен. Это можно продемонстрировать, указав, что если скорость ветра удваивается, то сила ветра увеличивается в восемь раз. Поэтому стоит найти место с относительно высокой средней скоростью ветра.
Ветер в ваттах
Хотя приведенное выше уравнение мощности дает нам мощность ветра, фактическая мощность, которую мы можем извлечь из ветра, значительно меньше, чем предполагает это число. Фактическая мощность будет зависеть от нескольких факторов, таких как тип используемой машины и ротора, сложность конструкции лопастей, потери на трение и потери в насосе или другом оборудовании, подключенном к ветровой машине. Существуют также физические пределы количества энергии, которую реально можно извлечь из ветра. Теоретически можно показать, что любая ветряная мельница может извлечь максимум 590,3% энергии ветра (это известно как предел Беца). На самом деле эта цифра обычно составляет около 45% (максимум) для большой турбины, производящей электроэнергию, и от 30% до 40% для ветряного насоса (см. Раздел о коэффициенте полезного действия ниже). Итак, модифицируя формулу «Мощность ветра», мы можем сказать, что мощность, производимая ветряной машиной, может быть выражена как:
P M = ½. Cp.ρ.A.V 3
где,
Р М мощность (в ваттах), доступная от машины
C p коэффициент мощности ветряной машины
Также следует помнить, что ветряная машина будет работать с максимальной время его работы из-за колебаний скорости ветра. Грубую оценку мощности ветряной машины можно получить, используя следующее уравнение;
P А = 0,2 А В 3
где,
P A — средняя выходная мощность в ваттах за год
V — среднегодовая скорость ветра в м/с
Существуют два основных физических принципа, с помощью которых можно извлекать энергию из ветра; это за счет создания либо подъемной силы, либо силы сопротивления (или их комбинации). Разницу между лобовым сопротивлением и подъемной силой иллюстрирует разница между использованием спинакерного паруса, который наполняется подобно парашюту и тянет парусную лодку по ветру, и бермудского паруса, знакомого треугольного паруса, который отклоняется от ветра и позволяет парусной лодке двигаться.