Физика энергии ветра

Принцип получения энергии ветрогенератором кажется простым – ветер крутит турбину, она вырабатывает электричество. Но создание максимально эффективных ветряков основано на множестве научных дисциплин, знакомство с которыми поможет выбрать оптимальный источник альтернативной энергии для своего дома. Главный же из них, это гидродинамика – физика движения сплошных сред.

Уравнение энергии ветра

Базовый принцип физики гласит – энергия не появляется и не исчезает, она только превращается из одного вида в другой. Ветрогенераторы как раз иллюстрируют такой преобразователь: они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем генерируется электричество. Но источником является кинетическая энергия, которая рассчитывается по формуле Р_кин.= (М х V²) /2, где М и V это масса определённого объёма воздуха и скорость ветра.

Наглядно это можно представить в виде ветра дующего в вытянутую форточку:

Здесь сразу видно, какой объём воздуха проходит через окно, и его зависимость от площади форточки, скорости потока и времени. Следовательно, напрашивается прямая зависимость:

• Чем больше окно;
• Чем быстрее скорость ветра;
• Чем длиннее «коридор»;

Тем будет больше масса воздуха протекающая через него. Учитывая, что масса воздуха это произведение плотности на объём, энергию ветра можно выразить так:

Р_ветр. = (r x S x V³ x T) /2, где:

r  — плотность воздуха;

S – ометаемая площадь;

V – скорость ветра;

Т – время.

На рисунке выделено апертурное окно, которое и есть площадь ометаемая лопастями ветрогенератора.

Сила и энергия

Термины сила (мощность) и энергия, очень часто путают. Но чтобы разобраться с альтернативными источниками энергии обстоятельно, надо расставить точки над i.

Энергия, это сила (мощность) умноженная на время.

Вот почему мощность приборов определяется в киловаттах, а счета за электроэнергию приходят в киловатт/часах.

Чтобы определить силу ветра, надо в формуле его кинетической энергии убрать переменную времени Т. И получится формула Р_{сила ветр.} = (r x S x V³) /2, в которой есть три переменных:

• Плотностью воздуха управлять невозможно – она от природы.
• Площадь ометаемой поверхности увеличивает выработку энергии, но у всего есть предел. Ведь чтобы увеличить площадь аппертурного окна ветрогенератора всего в два раза, надо усилить его конструкцию в 4 раза! Но правда есть хитрые решения, например DAWT (ветрогенератор с диффузором).

• 

• Скорость воздушного потока ощутимо влияет на результат, ведь в формуле она возводится в куб. И совсем небольшое изменение этой переменной, резко изменяется производительность ветрогенератора. Например, если скорость ветра увеличиться всего на 26%, с 10 до 12,6 м/с, то генерация вырастет на 100%: 10³ = 1000, а 12,6³ = 2000.

Именно поэтому ветрогенераторы стараются поднять максимально высоко, где скорость ветра гораздо выше.

Как ветрогенератор питается из альтернативного источника

Ветряки не «питаются» массой воздуха, они настроены на потребление скорости ветра. Другими словами: ветер приближается к ветротурбине с высокой скоростью, а покидается её с меньшей. Разница в скоростях ветра до и после ветрогенератора, определяет, какой объём энергии был усвоен этим устройством.

Некоторые типы ветрогенераторов делают это лучше, некоторые хуже. Но это основная функция ветрогенератора – замедлить ветер.

Грань между эффективностью и ограничением

Никогда не верьте утверждениям, что некий ветрогенератор работает с эффективностью 100%. Это значит, что ветер за лопастями ветряка должен полностью остановиться. Абсурдное доказательство наглядно демонстрирует ложное высказывание.

Ветротурбина с идеальным КПД, должна найти тот баланс, где ветер отдаёт энергии столько, чтобы ему осталось только на выход из апертурного окна устройства для дальнейшего движения. КПД в данном случае определяет разницу в скорости ветра до и после турбины, прямо влияя на коэффициент мощности ветряка, который принимает такую формулу: Р_выход= 1/2 × r × S × V³ × КПД.

Максимальный КПД ветротурбины, более 100 лет назад, немецкий учёный Бетц  обосновал в своей фундаментальной научной работе. Взяв за основу вышеприведённую формулу, немец чрезвычайно последовательно обосновал, что максимально из ветра можно извлечь 16/27 энергии. Впоследствии, его расчёты чуть подкорректировал итальянец Лореджо, и получилось что максимальный КПД для ветрогенератора 59%.

ВАЖНО: закон Бетца выводится из формулы кинетической энергии ветра, и никак не затрагивает типы ветрогенераторов. Другими словами, он просто утверждает, что для нормального функционирования ветрогенератора, ветер можно замедлить на 59%.

Это отчётливо заметно на разнице в принципах работы турбин Савониуса и Дарье. Ведь ветряки Савониуса принимают только толкающую силу ветра, а проекты Дарье используют и аэродинамическую подъёмную силу, повышающую скорость вращения лопастей.

Сравнение КПД разных типов ветротурбин

До предсказанного Бетцем предела в 59% ни один ветрогенератор до сих пор не мог даже приблизиться. Максимум что удаётся извлечь из альтернативного источника современным ветрякам, это 38-45%. Больше всего экспериментов претерпели горизонтальные модели. У них увеличивали количество лопастей как у модели Болле и уменьшали их до одной, изменяли их форму и угол атаки, но прибавляя в чём-то одном, устройство теряло другие свои качества.

ИНФОРМАЦИЯ: однолопастные турбины обладают самым высоким потенциалом  увеличения коэффициент мощности, но их трудно держать сбалансированными. Двух-и трехлопастные турбины являются проверенным стандартом балансировки аэродинамической эффективности и устойчивости при турбулентных ветрах.

Наиболее успешные в коммерческом плане горизонтальные ветряки, тем не менее не могут конкурировать с эффективностью преобразования вертикальным генератором типа Дарье.

Принципиальное отличие ветрогенератора Дарье

Если все ветрогенераторы извлекают энергию используя силу сопротивления воздушному потоку, то модель Дарье дополнительно включает эффект аэродинамической подъёмной силы. И в России, и в США, независимо друг от друга было доказано, что используя современные технологии и композитные материалы, при одинаковых трудозатратах эффективность ветряка Дарье будет на порядок выше, любой модели горизонтального расположения, потому что теоретический максимум КПД устройства такого типа – 72%!

Наиболее близкий пример для наглядного объяснения такого парадокса можно увидеть в парусном спорте, который тоже использует энергию ветра.

Если парусник двигается строго по ветру, когда он дует прямо в паруса, то его скорость, при идеальных условиях может быть равна скорости ветра.

Если же парусник «режет ветер», двигаясь под углом к воздушному потоку, то скорость судна опытных яхтсменов более чем в два раза превышает скорость ветра!

Этого эффекта удаётся достичь за счёт подъёмной силы, которую формируют ламинарные потоки над парусом.

ВЫВОД: любая ветротурбина которая не использует эффект аэродинамической подъёмной силы крыла, будет уступать модели ветрогенератора Дарье и его аналогам.

Новые обоснования старых концепций

Голословные предположения о том, что современные разработки должны резко повысить КПД ветрогенераторов вообще не имеют под собой основания. Современные модели с горизонтальным размещением достигают 75% эффективности от своего теоретического предела Бентца (приблизительно 45% КПД). Ведь раздел физики который регламентирует эффективность ветротурбин – гидродинамика, а её законы непреложны с момент их открытия.

Некоторые разработчики пытаются поднять эффективность за счёт увеличения количества лопастей, делая их более тонкими. Можно увеличивать их длину, и это даёт больший эффект за счёт роста ометаемой площади.

Но всё равно требуется выдержать баланс, между замедлением ветра и его остаточной скоростью.

Есть другое направление – повысить скорость ветра, пропуская его через диффузор. Но гидродинамика изобилует уже открытыми эффектами обтекания препятствий по пути наименьшего сопротивления.

Есть более или менее удачные модели DAWT, с большими углами на диффузоре, но эти попытки «обмануть ветер» не настолько повышают КПД, как декларирует реклама.

Самые удачные современные ветрогенераторы – это вертикальные модели с лопастями Дарье, посаженные на магнитно-левитирующие опорные подшипники (МАГЛЕВ). Работая почти бесшумно, они начинают вращаться при скорости ветра менее 1 м/с, и выдерживают шквальные порывы до 200 км/ч. Именно на основе таких источников альтернативной энергии выгоднее всего формировать частную независимую энергосистему.

 

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на наш канал, Если статья Вам понравилась!

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши КОМЕНТАРИИ   (Ваши Комментарии очень помогают развитию проекта)

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:        

ALTER220 Портал о альтернативную энергию

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее!!!