Скорость ветра и мощность ветрогенератора

Скорость ветра, как физического явления, – одна из основных характеристик, отражающая природный процесс горизонтального переноса воздушных масс (потока воздуха) над поверхностью Земли.

Показатель, в большинстве, очень нестабильный, сильно зависит от множества факторов (например, от давления атмосферы, от вращения самой планеты, от разницы нагрева воздуха в разных местах, от теплоемкости поверхности на них), резко отличается по величине в разных регионах.

От скорости ветра зависит его энергия или мощность ветрового потока – показателя, который является важнейшим для расчета и выбора ветрогенераторов. Связь этих характеристик прямо пропорциональная и выражается формулой (1):

Nп = ρ*S*V³/2               (1),

где:

- Nп – мощность потока воздуха (Вт);

- V – скорость ветра (м/сек);

- ρ – плотность воздуха (кг/м³) (стандартное ее значение при температуре +15°С и давлении 760 мм ртутного столба 1,225 кг/м³);

- S – площадь «ометания» ротора (м²) (практически равна площади круга, который описывают при движении самые удаленные от оси вращения кромки лопастей ветрогенератора); она вычисляется по формуле (2):

S =π*d²/2                       (2),

где:

- π = 3,1416;

- d – диаметр ветроколеса (м).

Из приведенных формул видно, что мощность (Nп) изменяется пропорционально кубу скорости (V) и квадрату диаметра (d) ветротурбины ветрогенератора. Это означает, что при увеличении скорости ветра или длины лопастей в 2 раза мощность (энергия) воздушного потока возрастет в 8 и 4 раза, соответственно.

Более визуально изложенная информация представлена в таблице:

Приведенные рассуждения и формулы являются чисто теоретическими. В действительности всю энергию ветрового потока, протекающего через ветровое колесо, преобразовать в механическую невозможно. Часть ее теряется на сопротивление ветротурбины движению частиц воздуха, часть на трение; значительная ее часть уходит с потоком далее, минуя ветрогенератор.

С учетом всего мощность ветрогенератора на валу ветротурбины можно рассчитать, используя формулу (3):

N = V³*d²*ξ/2080            (3),

где:             

- N – мощность без учета потерь в подшипниках, передачах (кВт);

- V – скорость ветра (м/сек);

- d – диаметр ветроколеса (м);

- ξ – коэффициент использования энергии ветра (показывает какую часть мощности воздушного потока может превращать в механическую энергию конкретный ветрогенератор).

Величина коэффициента ξ зависит от конструкции ветродвигателя, качества изготовления и формы его крыльев, других факторов. Для быстроходных ветродвигателей, снабженных лопастями аэродинамического обтекаемого профиля значение коэффициента может составлять 0,42…0,46. У тихоходных агрегатов, оборудованных большим количеством лопастей, этот показатель находится в пределах 0,27…0,33.