Физика энергии ветра принцип получения энергии ветрогенератором кажется простым – ветер крутит турбиныу, она вырабатывает электричество. На 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. На источником является кинетическая энергия, которая рассчитывается по формуле ркин. = (м х v2) / 2, где м и v это масса определенного объема воздуха и скорость ветра. Наглядно это можно представить в виде ветра дующего в вытянутую форточку: здесь сразу видно, какой объем 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 объем, энергию ветра можно выразить так: рветр. = (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 ветрогенератор. Сила и энергия термины сила (мощность) и энергия, очень часто путают. На 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 рсила 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 апертурного окна ветрогенератор всего в два раза, надо усилить его конструкцию в 4 раза! На правда есть хитрые решения, например dawt (ветрогенератор с диффузором). Легковой автомобиль рядом с лопастью для сопоставления размеров скорость воздушного потока ощутимо влияет на результат, ведь в формуле она возводится в куб. И совсем небольшое изменение этой переменной, резко изменяется производительность ветрогенератор. Например, если скорость ветра увеличится 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 ветротурбиные с высокой скоростью, а покидается ее с меньшей. Разница в скоростях ветра до и после ветрогенератор, определяет, какой объем энергии был усвоен этим устройством. Некоторые типы ветрогенераторов делают это лучше, некоторые хуже. На это основная функция ветрогенератор – 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. Ветротурбиныа с идеальным кпд, должна найти тот баланс, где ветер отдает 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 турбиныы, прямо влияя на коэффициент мощности ветряка, который принимает такую формулу: рвыход= 1 / 2 × r × s × v3 × кпд. Максимальный кпд ветротурбиныы, более 100 лет назад, немецкий ученый бетц  обосновал в своей фундаментальной научной работе. Взяв за основу вышеприведенную формулу, немец чрезвычайно последовательно обосновал, что максимально из ветра можно извлечь 16 / 27 энергии. Впоследствии, его расчеты чуть подкорректировал итальянец лореджо, и получилось что максимальный кпд для ветрогенератор 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 ветрогенератор, ветер можно замедлить на 59%. Это отчетливо заметно на разнице в принципах работы турбины савониуса и дарье. Ведь ветряки савониуса принимают только толкающую силу ветра, а проекты дарье используют и аэродинамическую подъемную силу, повышающую скорость вращения лопастей. Сравнение кпд разных типов ветротурбины до предсказанного бетцем предела в 59% ни один ветрогенератор до сих пор не мог даже приблизиться. Максимум что удается извлечь из альтернативного источника современным ветрякам, это 38-45%. Больше всего экспериментов претерпели горизонтальные модели. У них увеличивали количество лопастей как у модели более и уменьшали их до одной, изменяли их форму и угол атаки, но прибавляя в чем-то одном, устройство теряло другие свои качества. Информация: однолопастные турбиныы обладают самым высоким потенциалом  увеличения коэффициент мощности, но их трудно держать сбалансированными. Двух-и трехлопастные турбиныы 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 ветрогенератор дарье если все ветрогенераторы извлекают энергию используя силу сопротивления воздушному потоку, то модель дарье дополнительно включает эффект аэродинамической подъемной 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 удается достичь за счет подъемной силы, которую формируют ламинарные потоки над парусом. Вывод: любая ветротурбиныа которая не использует эффект аэродинамической подъемной силы крыла, будет уступать модели ветрогенератор дарье и его аналогам. Навые 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 ветротурбины – гидродинамика, а ее законы непреложны с момент их открытия. Некоторые разработчики пытаются поднять эффективность за счет увеличения количества лопастей, делая их более тонкими. Можно увеличивать их длину, и это дает больший эффект за счет роста ометаемой площади. На все равно требуется выдержать баланс, между замедлением ветра и его остаточной скоростью. Есть другое направление – повысить скорость ветра, пропуская его через диффузор. На 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 и ставить » палец вверх «, если статья вам понравилась!
Физические основы ветрогенераторов
Физические основы ветрогенераторов
Физические основы ветрогенераторов
Физические основы ветрогенераторов
Физические основы ветрогенераторов
Физические основы ветрогенераторов
Физические основы ветрогенераторов
Физические основы ветрогенераторов
Физические основы ветрогенераторов
Физические основы ветрогенераторов
Физические основы ветрогенераторов