Мощность горизонтально-осевого пропеллерного ветродвигателя, использующего подъемную силу

Мощность, развиваемая ветродвигателем, зависит от скорости ветра, мощности ветрового потока, типа ветродвигателя и его аэродинамической характеристики. Наиболее полно ветровой поток используется горизонтально-осевым пропеллерным (рипеллерным) двигателем, для которого вся ометаемая ветроколесом площадь потока, является активной.

Мощность ветрового потока, проходящего через некоторое сечение S равна его кинетической энергии в единицу времени

где: S – площадь, ометаемая ветроколесом, м²,

ρ – плотность воздуха, 1,3 кг/м,

m- масса воздуха, проходящая через сечение ветроколеса в секунду.

При набегании потока на ветроколесо поток отдает колесу часть своей энергии, расширяется. Скорость потока уменьшается от величины V перед ветроколесом до величины V1 на самом колесе и до величины V2 за колесом, рис.1.1.8.

Сила, действующая на ветроколесо и приводящая его во вращение, равна изменению количества движения при прохождении ветроколеса потоком

Рис.1.1.6. К расчету мощности горизонтально-осевого пропеллерного ветродвигателя.

Мощность, развиваемая ветроколесом:

Полагая скорость ветра на ветроколесе равной среднеарифметическому значению скоростей ветра в сечениях, расположенных перед ветроколесом и за ним

,

а коэффициент торможения потока при прохождении им ветроколеса

,

соотношение скоростей ветра в сечениях составит

Искомое выражение мощности, развиваемой ветроколесом

где - коэффициент использования ветродвигателем мощности потока, или просто коэффициент мощности ветродвигателя.

Для горизонтально-осевых ветродвигателей, использующих подъемную силу, коэффициент мощности имеет наибольшее значение =0,59 при =1/3 . Практически достижимые значения коэффициента ≈0,3÷0,4.

Вращающий момент, развиваемый ветроколесом, пропорционален его мощности и обратно пропорционален частоте вращения

,

где: - быстроходность ветроколеса – отношение окружной скорости на конце лопасти ветроколеса к скорости ветра V;

R – радиус ветроколеса;

- угловая частота вращения ветроколеса;

– коэффициент вращающего момента.

Оптимальная быстроходность ветроколеса– это такая быстроходность, при которой оно вращается не слишком быстро, чтобы лопасти не двигались в турбулизированном предыдущей лопастью потоке и не слишком медленно, чтобы часть потока не проходила через сечение ветроколеса без взаимодействия с его лопастями:

,

где: N – число лопастей ветроколеса.

Сила лобового давления на ветроколесо:

,

где: - коэффициент лобового давления

Мощность ветродвигателя, использующего силу сопротивления.Ветровой поток воздействует одновременно на две лопасти. Одна из них оказывает большое сопротивление потоку и является рабочей и вращает ветроколесо, другая обтекаемая тоже оказывает сопротивление потоку, но действует навстречу направлению вращения, рис.1.1.9.

Рис.1.1.7. К расчету коэффициента мощности вертикально – осевого ветродвигателя

Развиваемая ветроколесом мощность с учетом того, что рабочая поверхность ветроколеса равна половине ометаемой площади

где -коэффициент использования мощности потока

.

Его максимальное значение соответствует a=1/3 и . Оно равно 0,22 по сравнению с максимальным значением этого коэффициента для горизонтально-осевого пропеллерного ветродвигателя, которое составляет 0,59. Некоторое повышение возможно путем увеличения заполнения площади ветроколеса, применением направляющих аппаратов или одновременным применением силы сопротивления и подъёмной силы.