Файл: НИВИЭ(1).docx

Филиал федерального государственного бюджетного

образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский университет «МЭИ»

в г. Смоленске

Кафедра промышленной теплоэнергетики

РЕФЕРАТ

по дисциплине

«Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии»

на тему

«Работа поверхности при действии на нее силы ветра.Работа ветрового колеса крыльчатого ветродвигателя».

Студент группы ЭО-12

Хамдамов А.П.

Научный руководитель

доцент Новиков Г.Ю.

Смоленск 2014 г.

Оглавление

Оглавление 2

РАБОТА ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ДЕЙСТВИИ НА НЕЕ СИЛЫ ВЕТРА 5

РАБОТА ВЕТРОВОГО КОЛЕСА КРЫЛЬЧАТОГО ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ 8

Список использованных источников: 14

ВВЕДЕНИЕ

Основной причиной возникновения ветра является неравномерное нагревание солнцем земной поверхности.

Земная поверхность неоднородна: суша, океаны, горы, леса обусловли­вают различное нагревание поверхности под одной и той же широтой. Вра­щение Земли также вызывает отклонения воздушных течений. Все эти при­чины осложняют общую циркуляцию атмосферы. Возникает ряд отдельных циркуляций, в той или иной степени связанных друг с другом.

На экваторе у земной поверхности лежит зона затишья со слабыми переменными ветрами. На север и на юг от зоны затишья расположены зоны пассатов, которые вследствие вращения Земли с запада на восток имеют отклонение к западу. Таким образом, в северном полушарии постоянные ветры приходят с северо-востока, в южном  – с юго-востока. Пассаты простираются примерно до 30° северной и южной широт и отличаются равномерностью воздушных течений по направлению и скоро­сти. Средняя скорость юго-восточных пассатов северного полушария у по­верхности земли достигает 6÷8 м/сек. Эти ветры вблизи больших континен­тов нарушаются сильными годовыми колебаниями температуры и давления над материками. Высота слоя пассатов простирается от 1 до 4 км. Выше над пассатами находится слой переменных ветров, а над этим слоем находится зона антипассатов, дующих в направлении, противоположном направлению пассатов. Высота слоя антипассатов меняется от 4 до 8 км в зависимости от времени года и от места.

---

Местные ветры. Особые местные условия рельефа земной поверхности (моря, горы и т. п.) вызывают местные ветры.

Бризы. Вследствие изменения температур днём и ночью возникают береговые морские ветры, которые называются бризами.

В тропических странах бризы наблюдаются почти в течение всего года, а в умеренном поясе только летом, при жаркой погоде. У нас бризы можно наблюдать летом у берегов Черного и Каспийского морей.

Муссоны. Годовые изменения температуры в береговых районах боль­ших морей и океанов также вызывают циркуляцию, аналогичную бризам, но с годовым периодом. Эта циркуляция, более крупного размера, чем бризы, называется муссонами.

В настоящее время имеется много систем ветродвигателей, как с горизонтальной, так и с вертикальной осью вращения. Отличаются они друг от друга не только внешним видом и устройством, но и техническими возможностями в зависимости от того, для каких целей они применяются. По устройству приемника энергии ветра и по расположению его в воздушном потоке различают несколько систем ветродвигателей. Широко распространены в настоящее время крыльчатые ветродвигатели, самым древним типом которых и являются обычные ветряные мельницы. Основной частью любого крыльчатого ветродвигателя является ветровое колесо. Оно состоит из нескольких лопастей и вращается под действием ветра. При помощи пары конических шестерен, смонтированных на головке ветродвигателя (рис. 1), вращение колеса превращается в более быстрое движение вертикального вала или в возвратно-поступательное перемещение приводной штанги.

Рис. 1. Схема крыльчатого ветродвигателя

---

Работа поверхности при действии на нее силы ветра

Скорость ветра является важнейшей характеристикой технических свойств ветра. Поток ветра с поперечным сечением F обладает кинетиче­ской энергией, определяемой выражением:

.

(1)

Масса воздуха, протекающая через поперечное сечение F со скоро­стью V, равна:

.

(2)

Подставив (2) в выражение кинетической энергии получим:

,

(3)

откуда следует, что энергия ветра изменяется пропорционально кубу его скорости.

Мощность Т определяется произведением силы Р на скорость V:

,

(4)

Одну и ту же работу можно получить либо за счёт большой силы, при малой скорости перемещения рабочей поверхности, либо, наоборот, за счёт малой силы, а, следовательно, и малой поверхности, но при соответственно увеличенной скорости её перемещения.

Допустим, мы имеем поверхность F, поставленную перпендикулярно к направлению ветра. Воздушный поток вследствие торможения его поверхностью получит подпор, и будет обтекать ее и производить давление силой Рх. Вследствие действия этой силы поверхность будет перемещаться в направ­лении потока с некоторой скоростью U ; работа при этом будет равна произведению силы на скорость U, с которой перемещается поверх­ность F, т. е.:

,

(5)

---

         где Рх - сила сопротивления, которая равна :

,

(6)

         где Сх - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления;

F - поверхность миделевого сечения теля, т.е. проекции площади тела на плоскость, перпендикулярную направлению воздушного потока.

В этом случае ветер набегает на поверхность с относительной скоро­стью, равной :

.

(7)

Подставив значение Рх из уравнения (6) в уравнение (5), полу­чим:

.	(8)

Рисунок 2, – Действие силы ветра на поверхность

Определим отношение работы, развиваемой движущейся поверхно­стью и выраженной уравнением (8), к энергии ветрового потока, имею­щего поперечное сечение, равное этой поверхности, а именно:

.

(9)

После преобразований получим:

.

(10)

Величину ξ называют коэффициентом использования энергии ветра.

Из уравнения (10) мы видим, что ξ зависит от скорости перемеще­ния поверхности в направлении ветра. При некотором значении скорости U коэффициент £ получает максимальное значение. В самом деле, если ско­рость перемещения поверхности равна нулю U = 0, то работа ветра также равна нулю. Если U = V, т.е. поверхность перемещается со скоростью ветра, работа также будет равна нулю, так как нет силы сопротивления, за счёт ко­торой совершается работа. Отсюда следует, что значение скорости U заклю­чено в пределах между U = 0 и U = V.

---

Установлено, чтобы получить максимальное ξ, поверхность должна перемещаться со скоростью:

.

(11)

Максимальный коэффициент использования энергии ветра при работе поверхности силой сопротивления не может быть больше ξ =  0,192.

Наибольший коэффициент использования энергии ветра у роторных ветродвигателей системы Савониуса - 18%.

РАБОТА ВЕТРОВОГО КОЛЕСА КРЫЛЬЧАТОГО ВЕТРОДВИГАТЕЛЯ

Ветровые колёса крыльчатых ветродвигателей вращаются поперёк направления ветра, а поэтому скорость движения концевых частей у их крыльев достигает больших величин.

Она может быть в несколько раз больше скорости воздушного потока. Чем меньше лопастей и лучше их профиль, тем меньшее сопротивление испытывает ветровое колесо. Значит, тем быстрее оно вращается.

Лучшие образцы современных крыльчатых ветродвигателей имеют нормальную быстроходность, достигающую девяти единиц. Большинство ветродвигателей заводского производства имеет быстроходность, равную 5-7 единицам.

Для сравнения отметим, что даже лучшие крестьянские мельницы имели быстроходность, равную всего 2-3 единицам (и в этом смысле они являются более совершенными, чем карусельные, роторные и барабанные ветродвигатели).

С ростом числа лопастей у ветрового колеса увеличивается его способность трогаться с места при небольших скоростях ветра. Поэтому многолопастные крыльчатые ветродвигатели, у которых суммарная площадь лопастей составляет 60-70 процентов отометаемой поверхности ветрового колеса, вступают в работу при скоростях ветра 3-3,5 метра в секунду.

Быстроходные же ветродвигатели с малым числом лопастей трогаются с места при скоростях ветра от 4,5 до 6 метров в секунду.

Поэтому их приходится пускать в работу или без нагрузки или при помощи специальных устройств.

Крыльчатые ветроколеса работают за счет косого удара при движении лопастей перпендикулярно к направлению скорости ветра в противоположность к прямому удару, рассмотренному в предыдущем случае. Устройство такого колеса показано на рис. 3.

На горизонтальном валу закреплены крылья, число которых у современных ветродвигателей бывает от 2 и больше. Крыло ветроколеса состоит из маха а и лопасти б, закрепляемой на махе так, что она образует с плоско­стью вращения некоторый угол φ. Этот угол называют углом заклинения ло­пасти .При этом на ее элементы набегает воздушный поток с от­носительной скоростью W под углом ά, который называютуглом атаки, и действует с силой R. Углы φ и ά в значительной мере определяют эффективность крыльев. Силу R раскладывают на силы Рх и Ру (рис. 4,а). Силы Рх производят давление в направлении ветра, которое называется лобо­вым давлением. Силы Ру действуют в плоскости у-у вращения ветроколеса и создают крутящий момент.

---