Дата публикации: Jan 10, 2015 1:38:56 PM
Наиболее полный анализ ветротехнического парка Запада
МАШИННЫЙ ПЕРЕВОД
Ветер был использован для откачки воды в течение многих столетий; это было на самом деле основной метод, используемый для обезвоживания больших площадей Нидерландов с 13 века и далее; [36]. Меньшие windpumps, как правило, сделаны из дерева, для использования осушения польдеров, (в Голландии) и для перекачки морской воды в соляных выработках, (Франция, Испания и Португалия), также широко используется в Европе и до сих пор используется в таких местах, как Кабо-Верде ; фиг. 107 .
Однако основным видом Windpump, который был использован в так называемый американский ферма Windpump; ( рис. 108 ). Это обычно имеет стальной, multibladed, веерообразно ротор, который приводит в действие поршневой насос связи, как правило, с помощью понижающую передачу ( рис. 109 ), который непосредственно соединяется с поршневым насосом, расположенной в стволе скважины, непосредственно ниже. Американский фермы Windpump развивались в период между 1860 и 1900 году, когда многие миллионы скота были введены на североамериканских Великих Равнин. Общество с ограниченной поверхностью воды создали огромную потребность в воде грузоподъемных механизмов, так windpumps быстро стал основным источником питания общего назначения для этой цели. США сельское хозяйство породил множество производителей Windpump, и были серьезные R & D программы, некоторые при поддержке правительства США, [37], чтобы развиваться лучше windpumps для орошения, а также для обязанностей водоснабжения.
Инжир. 107 Деревянный коренных ветряная мельница насос для перекачивания морской воды в соляных на острове Сал, Кабо-Верде
Другие "новые рубежи", такие, как Австралия и Аргентина заняли ферму Windpump, и по сей день, по оценкам, один миллион стали фермы windpumps в регулярном использовании [38], наибольшее число находящихся в Австралии и Аргентине; [39], [40]. Следует отметить, что так называемый американский Ферма Windpump редко используются сегодня для орошения; большинство из них используется для целей они были изначально разработаны для, а именно водопоя скота и, в меньшей степени, для сельскохозяйственных или муниципальных водоснабжения. Они, как правило, следовательно, применять при достаточно высоких руководителей поливной стандартов; как правило, в 10 до 100 м диапазона на скважинах. Большие windpumps даже в регулярном использовании на скважинах по 200 м глубины.
Ветер насосы были также использованы в Юго-Восточной Азии и Китая дольше, чем в Европе, главным образом для орошения или для перекачивания морской воды в сушильных кастрюли для морской добычи соли. Китайский парус Windpump ( рис. 110 ) был впервые использован в течение тысяч лет назад, и десятки, если не сотни тысяч, до сих пор используются в провинции Хубэй, Хэнань и Северной Цзянсу [41]. Традиционные китайские проекты строятся из проволочной приготовился бамбуковых палок, осуществляющих ткани паруса; как правило, либо весло насос или дракона позвоночника (лестница насос) используется, как правило, на насосных головок менее лм. Многие китайские мельницы полагаться на ветер дует в основном в том же направлении, потому что их роторы имеют фиксированной ориентации. Многие сотни аналогичного дизайна Windpump к китайскими также используются на соляных в Таиланде ( рис. 111 ).
Инжир. 108 Все стали фермы ветер насос "американскую"
Инжир. 109 Коробка передач от типичного резервного направлена "американскую" фермы ветряной мельницы
Инжир. 110 Китайский цепи мельница
Инжир. 111 Thai Windpump (после Schioler [24])
Инжир. 112 "Критский" тип ветряной мельницы используется на ирригационного проекта в Южной Эфиопии (после Френкеля [15])
Около 50 000 windpumps были использованы вокруг Средиземного моря, 40 лет назад для орошения, [42], они были импровизированные вариации с прямым приводом металлической американской фермы Windpump, но часто с использованием треугольных ткани паруса, а не металлическими лопастями. Эти паруса ветряные мельницы иметь тип ротор, который был использован на протяжении многих веков в Средиземноморском регионе, но сегодня часто называют "критским Ветряные мельницы" (см рис. 112 ). За последние 30 лет или около того, рост благосостояния в сочетании с более дешевыми двигателями и топлива, как правило привело фермеров в этом регионе отказаться от ветряных мельниц и используют маленькие двигатели (или электросети при наличии). Однако Крит хорошо известна как страна, где до недавнего времени около 6 000 windpumps не были все еще в использовании [91], в основном с тканью плавал буровой установки.Число windpumps в использовании на Крите быстро сокращается, и к 1986 году считались едва тысяча.
Другая ветвь энергетической технологии ветер начал развиваться в конце 1920-х и начале 1930-х, а именно, ветер-генератора или аэро-генератора. Многие тысячи небольших ветровых генераторов, такие как австралийский Dunlite ( рис. 113 ), были введены в эксплуатацию для зарядки аккумуляторов, которые могут быть использованы для освещения, и особенно для радиосвязи, в отдаленных сельских районах. Такие машины также могут предоставить альтернативу фотоэлектрических массива для орошения накачки в соответствующей ветреных районах, хотя они до сих пор не были применены для этой цели в любых количествах.
Крупные ветряные турбины для выработки электроэнергии были (и в настоящее время), построенный, крупнейшим из которых в 5 МВт (5 000kW) машина в стадии разработки в Западной Германии. Тем не менее, более скромные, но все же довольно крупные средние станки были установлены в больших количествах для кормления местной сети в частности, в штате Калифорния (где более 10 000 средних ветряные генераторы были установлены в чуть более чем 3 лет для кормления Сетка) и в Дании. рис. 114 показана типичная современная 55кВт, диаметр 15 м Windmatic ветровой турбины, из Дании. Машины этого размера в будущем может быть значительным значение для более масштабного орошения накачки, чем это возможно с более традиционными механическими windpumps (см Гилмор и др [43], и Нельсон и др [44]).
Есть два различных конечного использования для windpumps, а именно либо орошения или водоснабжения, и они дают начало двум отдельным категориям Windpump потому что технические, эксплуатационные и экономические требования, как правило, различны для этих конечного использования. То есть нельзя сказать, что водоснабжение Windpump не может быть использована для орошения (они нередко являются), но ирригационные проекты, как правило, непригодны для обязанностей водоснабжения.
Большинство windpumps водоснабжения должны быть ультра-надежный, бегать без присмотра большую часть времени (поэтому они нуждаются в автоматических устройств для предотвращения превышения скорости во время бурь), и они также нуждаются в минимальном техническом обслуживании и внимание и обеспечивать откачку воды обычно составляет от глубина 10 м или более. Типичный фермы Windpump должен работать более 20 лет с поддержки, только один раз в год, и без каких-либо серьезных замен; это очень требовательный техническое требование, поскольку, как правило, такие ветер насос должен в среднем более 80 000 часов работы, прежде чем что-нибудь значительное изнашивается; Это в четыре-десять раз срок службы большинства малых дизельных двигателей или около 20 раз жизнь маленького насоса двигателя. Windpumps этому стандарту, поэтому, как правило, промышленно изготовленного из стальных компонентов и привода поршневых насосов с помощью возвратно-поступательное движение насосных штанг. Неизбежно они довольно дорого по отношению к их мощности, из-за прочной характера их конструкции. Но американские, австралийские и аргентинские фермеры нашли цену стоит заплатить за windpumps, что добиться высокой надежности и минимальной потребности человеческого вмешательства, так как это их главное преимущество практически над любой другой форме насосных систем.
Инжир. 113 2 кВт Dunlite ветрогенератор электричество
Инжир. 114 55кВт Windamatic ветрогенератор электричество
Орошение обязанности, с другой стороны являются сезонными (так ветряная мельница может быть полезно только в течение ограниченного фракции года), они включают насосные гораздо большие объемы воды через низком напоре, и внутренняя стоимость воды является низким. Поэтому любая Windpump разработан для орошения должна быть низкой стоимости и это требование, как правило, overide большинство других соображений. Так орошения обычно включает в себя фермером и / или других работников присутствует, это не так важно иметь машину, способную работать без присмотра. Поэтому ветряные мельницы используются для орошения в прошлом, имеют тенденцию быть коренным проекты, которые часто improvized или построенные фермера в качестве метода низким ценам механизации; (Напр., рис. 110 , 111 и 112 ). Если стандартные фермы windpumps ( рис. 108 ) используются для орошения, как правило, при гораздо меньших головы, чем в норме для обязанностей водоснабжения, есть довольно часто трудности в обеспечении поршневой насос достаточного диаметра, чтобы дать адекватный рабочий объем, чтобы поглощать мощность от ветряной мельницы. Кроме того, большинство сельскохозяйственных windpumps должны быть расположены непосредственно над насосом, на железобетонных фундаментов, которые, как правило, ограничивает эти машины накачке из колодцев или скважин, а не из открытой воде. Всасывающий насос может быть использован на сельскохозяйственных мельниц с отсасыванием глав до примерно 5-6 м от поверхности воды; (См рис. 115 для конфигураций установки типичной ферме Windpump). Большинство орошения windpumps коренных народов, с другой стороны, такие, как в Китае, используют центробежные насосы одного вида или другого, которые более подходят для низких напоров; они также не испытывают таких высоких механических сил в качестве промышленного Windpump, (многие из которых поднимают насосные штанги с тягой по 1tonne, вполне достаточно, чтобы "искоренить" любой небрежно установлен насос).
Были предприняты попытки недавно развивать низкой стоимости windpumps стали, которые включают добродетели тяжелых старых конструкций. Большинство фермерские windpumps, хотя до сих пор в коммерческом производстве, датируются 1920-х годов или ранее, а, следовательно, unecessarily тяжелыми и дорогими в производстве, и трудно правильно установить в отдаленных районах. В последнее время всевозможные усилия были предприняты, чтобы пересмотреть традиционный фермерский дом Windpump концепцию в легкой и простой современной форме. рис. 116 показывает "Это Windpump", который является половиной вес большинства традиционных конструкций фермы Windpump такого же размера, и производится в Кении как "Kijito", а в Пакистане как "Tawana". Последние расходы лишь около половины столько, сколько американских или австралийских машин подобного потенциала. Это, возможно, что через разработок такого рода, затраты могут быть достаточно низким, чтобы обеспечить сбыт всех стальных windpumps, которые являются одновременно прочный как традиционных конструкций, но достаточно дешево, чтобы быть экономически выгодным для орошения.
Инжир. 115 типичной ферме Windpump конфигурации установки
A. скважина с повышенной топливной цистерны
В. хорошо поверхности резервуара хранения
С Поверхность всасывания насоса
Инжир. 116 IT Windpump, сделанные в Кении как "Kijito", а в Пакистане как "Tawana"
я. Мощность доступно на ветру
Сила ветра в пропорциональна скорости ветра в кубе; Общая формула для мощности в ветре:
где Р представляет собой мощность в ваттах, р плотность воздуха (что составляет примерно 1,2 кг / м 3 на уровне моря), является сечением (или охватила площадь мельницы ротора) воздушного потока интерес и V является мгновенная набегающего потока скорость ветра. Если скорость, V, в м / с (обратите внимание, что лм / с почти ровно 2 узлов или морских миль в час), питание на ветру на уровне моря:
Из-за этого кубического отношений, наличие питания крайне чувствителен к скорости ветра; удвоение скорости ветра увеличивает доступность питания с коэффициентом восемь; Таблица 16 показывает эту изменчивость.
Таблица 16 ПИТАНИЯ на ветру ЗАВИСИМОСТИ ОТ СКОРОСТИ ВЕТРА В единицах мощности на единицу площади ветрового потока
Это указывает на очень высокую изменчивость энергии ветра, со всего 10W / м 2 в легкий ветерок до 41 000Wm 2 во время урагана дует на 144km / ч. Это крайняя изменчивость в значительной степени влияет практически на все аспекты проектирования системы. Это делает невозможным рассмотрение пытается использовать ветры менее чем около 2,5 м / с с доступной мощности является слишком размыты, в то время как она становится важным, чтобы пролить власть и даже выключить мельницу вниз, если скорость ветра превышает приблизительно 10-15м / с (25-30mph) в чрезмерной силы, то становится доступным, который бы повредить среднюю мельницу, если он работает в таких условиях.
Сила ветра в это зависит от плотности воздуха, так что уменьшается с высотой, как воздух редеет, как указано в таблице 17 .
Таблица 17 ИЗМЕНЕНИЕ Плотность воздуха с высотой
Поскольку сила ветра в гораздо больше чувствительны к скорости, а не от плотности воздуха, эффект высоте относительно мала. Например плотность мощности 5м / с ветра на уровне моря составляет около 75 Вт / м 2 ; Однако, из-за закона куба, это нужно только скорость ветра 5.64m / с при 3 000 м над уровнем моря, чтобы получить точно такой же мощностью 75 Вт / м 2 . Поэтому падение плотности может быть компенсирована за счет довольно незначительное увеличение скорости ветра на больших высотах.
II. Энергия доступна на ветру
Поскольку скорость ветра постоянно колеблется, его мощность также изменяется в зависимости большей степени из-за закона куба. Энергия доступна подвел итог власти за определенный период времени. Это сложный вопрос (Lysen [45] дает хорошее введение в него). Обычная начальная точка для оценки энергию, доступную на ветру в определенном месте некоторое знание среднего или средней скорости ветра за какого-то предопределенного периода времени; как правило, могут быть использованы в месяц средством. Самым важным моментом в общих интересах, что фактическая энергия доступна от ветра в течение определенного периода значительно больше, чем если вы берете энергию, которая должны быть произведены если ветер дул на его средней скорости без изменения за тот же период. Обычно энергия доступна будет примерно в два раза значение, полученное путем умножения просто мгновенной мощности на ветру, что будет соответствовать средней скорости ветра, дующего непрерывно, путем временного интервала. Это происходит потому, что колебания ветра результате скорость в средней мощности, примерно в два раза то, что происходит мгновенно в средней скорости ветра. Фактический коэффициент, на который средняя мощность превышает мгновенную мощность, соответствующая среднему скорость ветра может варьироваться от примерно 1,5 до 3, и зависит от фактического изменчивости в местный ветер режима. Больше изменчивость больше этот фактор.
Тем не менее, для какой-либо конкретной ветрового режима, энергия, доступная по-прежнему, как правило, пропорциональна средней скорости ветра в кубе. Мы будем обсуждать позже в этом разделе, как определить полезную энергию, которая может быть получена от ветрового режима в отношении конкретного ветряная мельница.
III. Преобразование энергии ветра Мощность на валу
Существуют два основных механизма для преобразования кинетической энергии ветра в механическую работу; как зависит от замедления ветер и тем самым извлекая кинетическую энергию. Грубый и наименее эффективным методом является использование сопротивление; Перетащите разработана просто, препятствуя ветер и создания турбулентности и силы сопротивления акты в том же направлении, что и ветра. Некоторые из самых ранних и грубых типов ветра машины, известные под общим названием "panamones", зависит от подвергая плоскую поверхность на одной стороне ротора по ветру, а защитный (или рифление паруса), с другой стороны; в результате перепада сила сопротивления оказывается ротор.
Другой метод, используемый для всех более эффективных видов ветряка, является создание лифта. Лифт производится, когда парус, или плоская поверхность установлена под небольшим углом к ветру; Этот слегка отклоняется ветер и производит большое усилие перпендикулярно к направлению ветра с гораздо меньшей силы сопротивления. Именно этот принцип, по которому корабль может лавировать со скоростью большей, чем ветер. Лифт, главным образом, отклоняет ветер и извлекает кинетическую энергию с небольшой турбулентности, так что, следовательно, более эффективный метод извлечения энергии из ветра, чем сопротивление.
Следует отметить, что теоретический максимум часть кинетической энергии ветра в том, что может быть использован в "идеальный" ветровой турбины составляет примерно 60%. Это происходит потому, что невозможно остановить ветер полностью, что ограничивает процент кинетической энергии, которая может быть извлечена.
IV. Горизонтальные и вертикальные роторы оси
Ветряные мельницы вращаются вокруг вертикальной или горизонтальной оси. Все ветряные мельницы показано до сих пор, и наиболее практического использования сегодня, являются горизонтальной оси, но исследования на стадии завершения разработки вертикальной оси машины. Они имеют то преимущество, что они не должны быть ориентированы лицом к ветру, так как они представляют один и тот же поперечное сечение на ветер с любого направления; Однако это также недостатком, поскольку в условиях шторма вы не можете включить вертикальную ось ротора от ветра, чтобы уменьшить ветровые нагрузки на него.
Есть три основных типа вертикальной оси ветряка. Panamone дифференциального сопротивления устройства (упоминалось ранее), ротор Савониуса или "S" ротором ( рис. 117 ) и ветровой турбины Дарье ( рис. 118 ). Ротора Savonius состоит из двух, а иногда и три изогнутых взаимосвязанных пластин, расположенных вокруг центрального вала между двумя заглушками; он работает на смеси дифференциального сопротивления и лифтом. Ротора Savonius была поддержана в качестве устройства, которое может быть легко improvized на самостоятельного строительства основе, но кажущаяся простота более воспринимается, чем реальны, как существуют серьезные проблемы в монтаже неизбежно тяжелый ротор надежно в подшипниках и в соединении ее вертикальный привод вал поршневого насоса (получается слишком медленно, чтобы быть полезными для центробежного насоса). Однако основные недостатки ротора Савониуса два раза:
это неэффективно, и включает в себя много строительных материалов по отношению к его размеру, тем он менее рентабельным как ротор, чем большинство других типов;
трудно, чтобы защитить его от чрезмерного ускорения во время шторма и летать на куски.
Ветровой турбины Дарье имеет поперечное сечение аэродинамического профиля лопасти (упрощенные несущих поверхностей, как крылья самолета). Они могут быть прямыми, давая эту машину, "H" -образный профиль, но на практике большинство машин имеют изогнутую "яичный колотушки", или troposkien профиль, как показано на рисунке. Основной причиной этой формы в том, что центробежная сила, вызванная вращением будет иметь тенденцию к согнуть прямые лезвия, но скакалка или troposkien форму рассмотрен изогнутых лопастей может эффективно противостоять изгибающие силы. Дарье типа с вертикальной осью турбины весьма эффективны, так как они зависят исключительно на подъемных сил, создаваемых как лопасти пересечь ветра (они едут на 3 до 5 раз скорость ветра, так что ветер встречает лезвие достаточно малым углом производить подъем, а не сопротивление). Дарье предшествовало гораздо более грубой вертикальной оси мельницы с Бермудских островов (треугольная) буровой установки парусов из Теркс и Кайкос острова Вест-Индии ( рис. 119 ). Это помогает, чтобы показать принцип, согласно которому Дарье работает, потому что это легко представить себе паруса производящей Движущая сила, как они пересекают ветра таким же образом, как парусная яхта Бермудский парус; Дарье работает ровно на том же принципе.
Инжир. 117 Savonius ротора с вертикальной осью Windpump в Эфиопии. Было установлено, что менее экономически эффективным, чем '' Критское ветроэнергетической фиг. 112 (см. [15])
Инжир. 118 Типичные Troposkien форму Дарье вертикальной оси ветровой турбины
Инжир. 119 Теркс и Кайкос острова с вертикальной осью парус ротора (после ЭСКАТО ООН [51])
Есть также два основных типа Дарье ветровой турбины, которые имеют прямые клинки; как контролировать превышение скорости и последующее повреждение лопастей за счет включения механизма, который рифов лезвия на высоких скоростях. Это изменяемой геометрией Вертикальная ось ветротурбины (VGVAWT), разработанная Масгроув в Великобритании и Gyromill переменным шагом Вертикальная ось ветровой турбины (VPVAWT), разработанный Пинсон в США. Хотя Масгроув VGVAWT была опробована в Windpump П. И. инженерии, все тока усилия в области развития, направляются в развитие средних и крупных электросетей грудью, с вертикальной осью ветровых генераторов, мало имеющие отношение к ирригационной накачки.
Вертикальные ветряные мельницы оси применяются редко для практических целей, хотя они популярный предмет для исследования. Главное оправдание дается для их развития является то, что у них есть перспектива быть проще, чем горизонтальных ветряных мельниц оси и, следовательно, они могут стать более экономически эффективным. Это еще предстоит доказать.
Большинство горизонтальных осей ротора работают, подъемных сил, возникающих при "винт" или воздушный винт, как лопатки установлены под таким углом, что при их оптимальной скорости вращения они делают малый угол с ветром и генерировать подъемную силу в тангенциальном направлении. Потому что подсказки ротора двигаться быстрее, чем корни, они "чувствуют" ветер в меньшим углом и, следовательно, эффективно горизонтальной оси ротора требуется лопасти крутиться, чтобы угол, с которым они встречаются ветер постоянно от корней до кончиков. Лопасти или паруса медленных оборотах может быть довольно сырой (как в рис 107. ), но для более высоких оборотах они должны быть аккуратно сформированы аэродинамические ( рис. 113 и рис 114. ); но во всех трех примерах показано, принцип работы идентичен.
v. Эффективность, мощность и характеристики крутящего момента
Любой ветровой турбины или ветряная мельница ротора можно охарактеризовать путем построения экспериментально полученные кривые силы против скорости вращения при различных Дни с ветрами; рис. 120 А. Аналогично вращающий момент ротора ветряной производит набор кривых, таких как в фиг. 120 В.
Максимальная эффективность совпадает с максимальной выходной мощности в заданной скорости ветра. Эффективность обычно представлены в виде безразмерного соотношения вала мощности, разделенной на ветровой мощности, проходящей через диск или форму, имеющую такую же площадь, как и вертикальный профиль в мельницы ротора; это соотношение известно как "Power коэффициентом" или C р и численно выражена как:
скорость также условно выражается не одномерно, как «вершина-ступенчатой отношения" (/? / . ). Это отношение скорости мельницы наконечника ротора, по меньшей радиуса R при вращении на ω рад / во-вторых, скорости ветра, V, и численно:
Когда мельница ротора канцелярские принадлежности, его отношение наконечник скорость тоже равна нулю, а ротор в тупик. Это происходит, когда крутящий момент, создаваемый ветром ниже уровня, необходимого для преодоления сопротивления нагрузки. Подсказка скорости отношение 1 означает, что кончики ножей движутся с той же скоростью, что и ветер (так угла ветра "видели" лезвиями будет 45 °) и, когда это 2, кончики движутся с удвоенной скоростью ветра, и так далее.
С р по сравнению с кривыми для трех различных типов ротора, с конфигурациями, B, C, D, е2 и F, как указано, приведены в рис. 121 . Второй набор кривых показывают коэффициенты крутящего момента, которые безразмерная мера крутящего момента, полученного с помощью заданного размера ротора в данной скорости ветра (крутящий момент крутящий усилие на приводном валу). Коэффициент крутящего момента, С т , определяется как:
где Т фактический крутящий момент на скорость ветра V для ротора, что конфигурация и радиусом R.
Инжир. 120 мощности (А) и крутящего момента (В) воздушного ротора в зависимости от скорости вращения для скоростей ветра разница
Инжир. 121 Коэффициенты мощности (CP) (выше) и коэффициенты крутящего момента (КТ) различных типов ветряных турбин ротора заговор против наконечник-ступенчатой отношения (λ) (после Lysen / УХО [45])
VI. Ротор прочность
"Твердость" (О) довольно графический термин для доли прокатилась области ветряная мельница ротора, который заполняется с твердыми лезвиями. Это, как правило, определяется как отношение суммы ширины, или "аккордов" всех лопастей к окружности ротора; т.е. 24 лопасти с длиной хорды (передней кромки к заднему краю) 0,3 м на роторе 6 м диаметром будет иметь наконечник прочность:
Multi-лопастные роторы, которая используется в windpumps, (напр., Ротор "B" в рис. 121 ), как говорят, имеют высокую "прочность", потому что большая часть ротора прокатилась области является "твердой" с лопастями. Такие машины должны работать при относительно низких скоростях и, следовательно, имеют свои ножи установлены на довольно грубой углом к равнине вращения, как винт с крупной резьбой. Это дает ему низкий коэффициент наконечник скорости максимальной эффективностью, составляет около 1,25, а немного ниже максимальный коэффициент производительности, чем быстрее типов ротора, таких как "D", "Е" и "F" на рисунке. Тем не менее, мульти-лопастной ротор имеет очень высокий коэффициент крутящего момента при нулевой соотношении между зондом и скорости (от 0,5 до 0,6), чем любой из других типов. Его высокий пусковой момент (это выше, чем его вращающий момент) в сочетании с медленной скоростью вращения в данном ветра сделать его хорошо подходит для вождения поршневых скважинные насосы.
В отличие от этого, два или три лезвием, низкой прочности, роторы "Эль" и "F" в фиг. 121 , являются наиболее эффективным (с наибольшими значениями для C р), но их советы должны пройти в шесть-десять раз скорость ветра, чтобы достичь их максимальную эффективность. Для этого они будут установлены под небольшим углом к равнине вращения, как винт с мелкой резьбой и, следовательно, будет вращаться намного быстрее для данной скорости ветра и диаметра ротора, чем высокие прочностные ротора. Они также имеют очень мало пусковой момент, почти никто вообще, что означает, что они могут начаться только к нагрузкам, которые требуют немного крутящего момента, чтобы начать их, как генераторов электроэнергии (или центробежных насосов), а не объемных насосов.
Все это может звучать очень научно, но это основополагающее значение для разработки ветровых роторов; это означает, что мульти-лопастные "высокого солидности" роторы работают на медленных скоростях и несколько менее эффективен, чем несколько лезвием с «низким солидности" роторов, но они имеют, как правило, от пяти до двадцати раз пусковой момент.
VII. Согласование роторов насосов
Высокие прочностные роторы, как правило, используется в сочетании с положительным смещением (поршневые) насосы, поскольку, как описано в разделе 3.5, одностороннего действия поршневые насосы требуют примерно в три раза больший крутящий момент, чтобы начать их, чтобы держать их будет. Низкие роторы солидность, с другой стороны, лучше всего подходят для использования с генераторами электроэнергии или центробежных насосов, или даже лестничных насосов и цепи и шайба насосов, где Крутящий момент, необходимый насосом для запуска меньше, чем необходимо для работы на скорости проектирования. Таблица 18показывает относительные характеристики и C р значения для различных типов типичной воздушного ротора до сих пор описанных.
Таблица 18 сравнение между различными ВИНТОМОТОРНОЙ ВИДОВ
* отношение TSR = Совет скорость (X)
Инжир. 120 и B показывает линии нагрузки для поршневого непосредственным приводом насоса накладывается на кривых выходных ветра ротора. Пунктирная линия на рис. 120 указывает на геометрическое место точек максимальной мощности; Система будет функционировать только непрерывно, когда рабочая точка находится справа от линии максимальной мощности, а при этом условии любое незначительное падение скорости ветра заставляет машину замедлить и мощность, потребляемую вала увеличиваться, что приводит к стабильным операция. Рабочая точка может оставаться только слева от максимальной мощности локуса в условиях увеличения скорость ветра. Видно, что поршневой насос требует более или менее постоянным крутящим моментом 10 Нм в примере, когда была создана вращения, но она нуждается в более чем в три раза больше крутящего момента, чтобы начать это по причинам, приведенным в разделе 3.5.Кривые крутящих моментов в рис. 120 B показывают, что 5 м / с скорость ветра, необходима для получения крутящий момент, необходимый для запуска Windpump вращения, но как только вращение началось, скорость ветра может упасть до 3м / с до загрузки операционной точка движется слева от м максимальной локуса powere и Windpump остановится. Обратите внимание, что пунктирная линия Х-представляет собой переходную условие, что происходит только на мгновение, когда Windpump начинает вращаться.
Чтобы извлечь максимальную мощность от Windpump в любое время потребует нагрузку, которая вызывает рабочую точку, чтобы следовать близко к локусу максимальной мощности; ( рис. 120 ). Фигура также показывает, что, что рабочая точка будет всегда, когда кривая Windpump ротора для скорости ветра преобладающей в данный момент совпадает с нагрузкой линии насоса. В примере, рабочая точка показана на скорость ветра от 5 м / с; В этом примере можно видеть, что только около двух третей от максимальной мощности, которые могут быть получены в этой скорости ветра используется насос, поскольку его нагрузка линии отклоняется от кубической максимальной кривой мощности. Это расхождение неправильно матч между премьер-двигателем (ветряная мельница ротора) и нагрузки (насос). Доля мощности, доступной из ротора в заданном скорость ветра, которая с пользой применить известен как "Адаптация эффективности», и подробно рассмотрен в Пинилья и др [46], показатель иллюстрирует, как это неправильно матч становится все хуже при увеличении скорости ветра. Это неправильно матч на самом деле менее серьезно, чем это может показаться, с тех пор, наибольшая эффективность Необходим при низких Дни с ветрами, когда, к счастью, наибольшая эффективность достигается. Когда мельница работает достаточно быстро, чтобы быть плохо сочетается с его насоса, это означает, что ветер дует сильнее, чем обычно, и есть вероятность, что выход, хотя теоретически уменьшается из-за плохой соответствия, будет более чем достаточно, так как дополнительные Скорость будет компенсировать уменьшение эффективности.
Можно подумать, что центробежные насосы будут соответствовать с ветряной мельницей, чем поршневых насосов лучше, но на практике их эффективность быстро падает до нуля на скорости ниже заданного порога, работающих на фиксированной статической голове. В других случаях, центробежные насосы не легко работать с адекватной эффективности по максимально широкого круга скорости, как это необходимо в соответствии большинство ветряные мельницы роторов и поэтому они вообще не используются с ветряными мельницами (за исключением промежуточного электрического привода, которые могут изменить отношения между насосом и Ветряная мельница скорости).
При генераторы используются в качестве нагрузки, а насосы, гораздо лучше подходит могут быть получены. Поэтому Ветряные генераторы, как правило, имеют более высокую эффективность соответствия по всему диапазону рабочих скоростей, чем windpumps; Заинтересованный читатель может обратиться к тексту на эту тему, например, Lysen [45].
Существует значительный потенциал для улучшения общей производительности ветровых насосов по разработке методов совершенствования матч роторно-на-насоса в более широком диапазоне Дни с ветрами; определенное количество, работа ведется в этой области и в случае успеха может привести к значительно более эффективных windpumps в будущем. Но в то же время главная проблема заключается в выборе наиболее подходящего размера насоса для данной мельницы в данном ветрового режима и расположения. Fig.122 показывает, как нагрузка линии насоса могут быть изменены простым изменением тяги тянуть среднее насоса, либо изменение хода (за счет удлинения или укорочения рукоятку) или путем изменения диаметра насоса используется. Больше инсульта и / или больший насос будет увеличивать стержень силы насоса, а также увеличить среднюю требуемого крутящего момента и, следовательно, наклон линии нагрузки, и наоборот. В Fig.122 ясно, что увеличение нагрузки увеличивает гидравлическое выход на более высоких скоростях, но также увеличивает величину V с , исходного скорости ветра. Таким образом, насос "C" на рисунке начнется в гораздо более легкой ветра, чем другие насосы, но из-за мелкой линии нагрузки выход будет гораздо меньше, при сильном ветре. Существует поэтому важно компромисс между достижением начиная с надлежащим легкие ветры и достижения хорошего выхода.
Инжир. 122 компромисс между начальной скорости ветра и выход для по-разному загруженных windpumps
Инжир. 123 работает характеристика Windpump, показывающий, как выходная мощность и сопоставления эффективности варьироваться в зависимости от скорости ветра
Операционная характеристика типичного Windpump, приведены в рис. 123 , показывает, как если запуск скорость ветра V сек Windpump может работать вплоть до чуть ниже Скорость ветра V (как объяснялось ранее, предполагая, что использование поршневого насоса). Это достигает лучший матч с ротором на Дни с ветрами, близких к V мин (в теории, по 0.8 S ) [46], который «Дизайн WindSpeed", а затем увеличивает его выход почти линейно с скорости ветра до V (его номинальная скорость ветра). При еще более высоких Дни с ветрами средства должны быть введены, чтобы предотвратить его ускорения дальше, или машина может быть перегружена и повреждена или уничтожена; различные способы сделать это обсуждается в следующем разделе. При очень высоких Дни с ветрами, единственный безопасный курс действий, чтобы сделать ветряную мельницу "риф", "свернуть" или "Выключение"; Рисунок показывает, как этот процесс начинается при скорости ветра V ф (скорость закрутки) и завершается в WindSpeed об SD (Выключение).
VIII. Методы защиты от ураганов и закрутки
Ветряные мельницы должны иметь средства, чтобы ограничить власть, которую они могут доставить, или же они должны быть построены слишком сильно (и дорого) просто выдерживают только случайные выходы высокой мощности во время бурь. Парусные корабли "взять в холсте" по полностью или частично закрутки паруса (вручную), когда ветер слишком сильный, и критские паруса ветряные мельницы и другие такие простые традиционные конструкции обычно используют точно такой же техникой; меньше паруса используются при сильном ветре или иначе паруса частично каталась их лонжеронов. Металл фермы мельницы, тем не менее, имеют фиксированные стальные лезвия, поэтому решение наиболее общепринятым является крепление ротора смещен от центра башни ( рис. 124 ), так что ветер постоянно стремится повернуть ротор за башней. В нормальных условиях ротор проходит по ветру от длинного хвоста с лопастью на нем. Это лопасть шарнирно и закреплена в месте с предварительно нагруженной пружины (как показано на рисунке), то при ветровой нагрузки на ротор достигает уровня, при котором сила является достаточным, чтобы преодолеть предварительное натяжение весной, хвост будет начать сложить, пока ветер не толкает ротор вокруг так, что она представляет ребром к ветру, как в рис. 124 Процесс этот закрутке начинается тогда, когда будет достигнута номинальная мощность, и если скорость ветра продолжает расти, это увеличивает постепенно, пока машина полностью не свернули. Потом, когда ветер падает, пружина заставляет хвост лопасть разворачиваться и снова включите ротор вновь столкнуться с ветром. На коммерческих ветряными мельницами сельскохозяйственных, это действие обычно полностью автоматизирован.
Ветер-генераторы и другие ветряков с высокой скоростью, низким уровнем солидности роторы часто используют механизм, который изменяет шаг лопаток;например Dunlite машина фиг. 113 , который имеет небольшие противовесы, видимые вблизи ступицы ротора, которые заставляют лопасти в поле грубого под действием центробежной силы, когда ротор достигает скорости закрутки, против силы пружины, заключенные в ступице. Кроме того воздуха тормозные щитки размещаются для предотвращения превышения скорости. Большие ветряков не использовать задние лопатки, чтобы держать их лицом к ветру, так как они не могу быть yawed так быстро, как могло бы быть, если есть резкое изменение направления ветра. Вместо этого они, как правило, имеют червь-восстановительный механизм переключения передач, похожий на том, что в кране, который дюймов их вокруг к лицу ветер; это может быть с электрическим приводом по сигналам от небольшого направления ветра лопасти, или он может использовать механизм видимый на Windmatic в фиг. 114 , используется на больших ветряных мельниц в течение нескольких столетий, где боком, установленных WindRotor диски механизм ориентирования каждый раз главный ротор под углом, чем под прямым углом к направлению ветра.
Инжир. 124 Типичные Windpump метод защиты шторм, в котором ротор yawed ребром к ветру (вид сверху)
Он не предназначен, чтобы попытаться подробное обсуждение сложных вопросов о причинах и поведения ветра или как она измеряется и анализируется;Полезные ссылки Lysen [45], парк [46], Голдинг [47] и ВМО, [48].
Основной факт, быть в курсе, что, хотя ветер крайне изменчивы и непредсказуемы на минуту за минутой или основе час за часом, фактическая средняя скорость ветра в данном месте в течение любого месяца года не будет сильно отличаются от года к году. Так что, если среднемесячные показатели скорости ветра имеются, принимаются в течение ряда лет, разумно предсказание исполнением Windpump должно быть возможным. Разнообразие методов можно использовать, чтобы сделать это, некоторые из которых описаны в следующем разделе.
I. Минимальные требования ветра для windpumps
Он показал, что обычно windpumps требуется в среднем «наименее ветреный месяц" скорость ветра около 2,5 м / с, чтобы начать, чтобы быть экономически конкурентоспособной, (напр., Френкель, [40]). Из-за куб отношений между скорости ветра и доступности энергии, что справедливо для любой оптимально подходят ветра насос, и ветрового режима, экономика windpumps очень чувствительны к скорости ветра. Таким образом, windpumps являются одним из наиболее экономически эффективных вариантов (по сравнению с двигателями или каких-либо других премьеров двигателей) для перекачивания в местах со средней скоростью ветра более о 4 м / с, но, наоборот, они вовсе не являются экономически конкурентоспособными, где Средние Дни с ветрами значительно ниже 2,5 м / с.рис. 125 довольно грубо указывает в мире картину распределения скорости ветра. Это значительно упрощается и многое другое детальное рассмотрение этой темы можно получить Всемирной метеорологической организации; [48]. Это можно увидеть, что большая часть мира, за исключением центров крупных наземных масс, и экваториальных лесных регионах, подходит для развертывания windpumps. Как правило, районы, свободные от деревьев (т.е. саванны луга, полупустынь и пустынь), как правило, ветреная и подходит для windpumps, в то время как лесные и лесистые районы не только меньше ветра, но деревья делают размещение ветряных мельниц трудно, если очень высокие башни могут быть использованы.
Инжир. 125 Среднегодовые скорости ветра (приблизительная индикация)
Различные исследования по потенциальным рынком для ветряных мельниц в различных частях мира, например. [49], а также многочисленные конкретных стран исследования метеорологических данных, предполагают, что целый ряд развивающихся стран, вероятно, районы с адекватными скорости ветра для использования windpumps. Некоторые из них перечислены ниже; те, где windpumps уже известно, по крайней мере, умеренно широкого использования знаком (+):
Алжир, Аргентина (+), Кабо-Верде (+), Чили, Китай (+), Кипр (+), Эквадор, Египет, Эфиопия, Индия, Иордания, Кения (+), Ливия, Мадагаскар, Мальта, Маврикий, Мавритания, , Марокко (+), Мозамбик, Намибия (+), Оман, Пакистан, Перу (+), Сенегал, Сомали, Судан, Сирия, Танзания, Таиланд (+), Тунис (+), Уругвай, Замбия, Зимбабве (+) ,
Есть также много небольших островов, которые не перечислены, но неизменно имеют адекватные режимы ветра из-за близости от открытого океана.
II. Изменение скорости ветра с высотой
Скорость ветра возрастает с высотой. Скорость увеличения зависит частично от высоты и частично от природы поверхности земли. Это происходит потому, пересеченной местности, с большим количеством неровных деревьев, кустарников или зданий, вызывает турбулентность, а плоская поверхность и беспрепятственно, как море или плоской травяной равнине позволяет воздуху плавно, что приводит к более высоким Дни с ветрами ближе к поверхности.Отношения между скорость ветра и высота может быть оценена следующим образом:
где V является скорость ветра на высоте H и V R является скорость ссылка ветра, измеряемая на высоте H R . Показатель "а" является функцией шероховатости поверхности, а именно, [50]:
Например, если существует высокая трава и небольшие кустарники и среднее ссылка скорость ветра, например, 5 м / с записываются со стандартным метеорологическим органом рекомендованной высоте 10 м, это может быть отрегулирована, чтобы получить среднюю скорость ветра на 20 м мельницы высотой ступицы следующее:
из которых V = 5,7 / с прирост 0,7 м / с от монтажа ветряная мельница на 20 м, а не в 10 м может показаться небольшой по отношению к стоимости заемного высокой башни требуется, но энергия, доступная на этих двух высот будет связанные с кубу скорости (при условии, оптимально подобранные насосы в каждом случае) и, следовательно, будет:
это показывает, что увеличение доступности энергии 48% можно получить в местности данного типа от использования 20 млн башню вместо 10 м башню (или мельницу с меньшим ротора могут быть использованы, чтобы получить ту же энергию - в данном случае ротора Площадь может быть уменьшена так, что мельница с 20% меньшего диаметра ротора на 20 м башни будет использоваться по сравнению с одним на 10 м башни).
III. Влияние препятствий
Любое препятствие на ветер имеет след, проходящий до 20 или 30 диаметров (от обструкции) с подветренной стороны. Услуга будет исчерпан энергии ветра по сравнению с окружающим ветра, и турбулентным. Например большой дерево манго (или аналогичный округлые, хорошо листьями высокое дерево) может иметь услуга, которая даже 200-300 по ветру имеет на 10% меньше энергии ветра, чем обе стороны от него. С острыми краями и нерегулярных препятствия, такие как выходы горных пород, скал и уступов, или больших зданий может привести к сильному турбулентность, которая, помимо истощения энергию, доступную, может привести к повреждению мельницы, расположенной неподалеку.
Поэтому это нормально рекомендовать ветряные мельницы установлены таким образом, что ротор, по меньшей мере 200-300 из какого-либо значительного препятствия для ветра. В идеальном случае, если препятствия, такие как деревья или здания находятся поблизости, ротор должен быть установлен на достаточно высокой башни, чтобы его нижний край является явным или более 5 м выше самой высокой точки препятствия. На самом деле это часто невозможно избежать препятствий, так меньшее, что можно сделать, это попытаться найти мельницу так, чтобы он беспрепятственно со стороны господствующих ветров.Потому что ветер поднимает перейти на препятствие, размещения ветряных мельниц с большими препятствиями ближе, чем 100-200 ветру Также следует избегать.
IV. Измерения скорости ветра и ветряные записи
Калибровка мельницы для конкретного насосной пошлины обычно делается, где ветряные мельницы уже во всеобщем употреблении, на основе опыта других близлежащих пользователей ветроэнергетики. Если поблизости сайт выглядит лучше или хуже с точки зрения воздействия на ветер, то некоторые подходящие пособия должны быть оценены, чтобы компенсировать это, без слишком большого риска серьезного просчет. Обычно в таких ситуациях, когда windpumps которые достаточно распространены, поставщики смогут рекомендовать подходящий размер, чтобы соответствовать требованиям пошлины на основе прошлого опыта.
Это меньше, легко пионером в использовании ветряных мельниц в какой-либо конкретной области; В таких ситуациях необходимо получить некоторую оценку локального режима ветра. Один из способов сделать это путем получения данных от ближайшего метеорологического вокзале или в аэропорту и принятие в расчет на основе относительной воздействия предложенного места по сравнению с измерительной станции. Обычно протокол для получения этих данных является запросить его в головном офисе Департамента метеорологии или гражданской авиации. К сожалению, однако, большинство малых сельских метеорологических станций не создана прежде всего для входа данные о ветре, и чаще всего они неправильно расположены анемометров. Часто анемометры на 2м высокими мачтами и окруженный деревьями или зданиями; любые иные показания от такого сайта находятся рядом с бесполезным для целей прогнозирования ветровой энергии еще, к сожалению, они часто вошли, послал в головной офис и включены в национальные данные базы, где они искажают очевидный ветрового режима до сих пор в качестве своего значения для энергия ветра обеспокоен. Таким образом, при использовании данных из местного сельского метеостанции, настоятельно рекомендуется следует посетить на вокзал, чтобы проверить, были ли измерены данные в приемлемой форме, чтобы сделать их стоимости.Данные из международных аэропортов (или в крупных метеорологических станций), как правило, надежны, как анемометры, как правило, находится в ВМО рекомендуемая высота 10 м, и они будут открыты. Это особенно верно в аэропортах, где поведение ветер представляет значительный интерес с точки зрения авиационной безопасности. Большинство таких станций войти скорости ветра и данные направления постоянно либо на бумажных картах или на магнитной ленте.
Самый основной формат для национальных статистических ветер, как в рис. 126 , который показывает среднюю скорость ветра, собранные в течение ряда лет, в течение каждого месяца, для выбора метеорологических станций в Индии. Индийская поливного сезона, как правило, происходит в сухой период с января по май, так осмотром можно выявить места с, казалось бы, адекватных режимов ветра в течение этого периода; т.е. с ежемесячной помощи предпочтительно свыше 2.5-3m / с.
Инжир. 126 Типичная картина долгосрочных данных о ветрах, как среднемесячных
Другой формат обычно используется для представления данных о ветре дается в рис. 127 , который показывает так называемую "Роза ветров"; Это включает в себя информацию о направлении ветра, а также его прочность. Фигура в среднем составляет процент спокойствия, (определяется как менее 3 миль в час) и «лепестки» Розы выровнены с точками компаса (N, СЗ, СЗ, ЮВ, W, и т.д.) и показывает, как процент времени ветер дует с каждого направления; (Концентрические круги 5% интервалы) и средние Дни с ветрами (в этом случае имеет в "закромах" 3-8, 9-15, 16-38 и более 39mph. В примере, показанном ветер явно преимущественно северо-восточный и юго-западный . Ветер розы представляют наибольший интерес для сравнения различных странах, где они с трудом поддаются анализу с точки зрения прогнозирования наличия энергии ветра;. исходные данные ветра или даже среднемесячные данные о ветре более полезным.
Инжир. 127 роза ветров
Если ветер документация недоступна из достаточно близкого или репрезентативных существующих метеостанции, то необходимо установить анемометр и войти ветра документы в течение не менее одного года и, предпочтительно, два-три года. Очевидно, что это не рекомендация так много для мелких фермеров, желающих одну маленькую Windpump, а для институциональных пользователей, планирующих крупные инвестиции в энергию ветра, которая должна быть крепко на основе объективных ветра записей. В идеале, около трех лет записей, необходимых для получения достаточно репрезентативной средние, как средние месячные скорости ветра может меняться на 10-20% или около того от одного года к другому. Необходимость в этом, конечно, более в районах, которые, как считается, "предельная" для использования windpumps; будет показано в следующем разделе, что коммерческие windpumps начать, чтобы стать экономически конкурентоспособной с двигателями или другими источниками энергии для подъема воды в Дни с ветрами выше примерно 2,5 м / с. Таким образом, в местах, которые решительно ветрено; Скорость т.е. со средним ветер почти наверняка в избытке, скажем, 4 м / с, нет большой риск угадать скорость среднего ветра при заказе Windpump, и это, вероятно, не стоит хлопот и затрат на проведение долгосрочных измерений ветра в заранее , Можно "тонкой настройки" оригинальной догадаться, если это, оказывается, не достаточно точным, просто изменив ход или размер насоса. Последующие ветряные мельницы могут быть заказаны на основе опыта с первым. Тем не менее, если выяснится, что есть просто не хватает ветра, никакое количество манипуляций с инсультом или насосов размеров не будут надлежащим образом исправить эту просчет.
Самый простой способ измерения средней скорости ветра установить чашки против анемометр, который просто Объединяет километров (или миль) ветровой перспективе так же, как автомобиль одометр суммирует километров дорог перспективе. К отметить время, когда каждый считывания принимается, и делением разницы между двумя показаниями на интервал времени, можно определить среднюю скорость ветра за период времени. Механическая чашка счетчик анемометра метеорологических затрат на обеспечение качества офис около $ 300 (без мачты - мачта может быть импровизированным с 2 "водопровода и растяжек) В идеале такие инструменты должны быть считаны три раза в 24 часов, ранним утром. , в середине дня и вечером, чтобы позволить суточный шаблон ветра для записи. Это позволяет средние скорости ветра для утрам, во второй половине дня и ночью периоды должны быть разделены. В противном случае, рано утром и вечером, показания должны быть принимать каждый день, чтобы день и ночь в среднем должны быть рассчитаны. Когда-то день или раз в неделю показания, если они последовательно и точно вошли, являются, однако намного лучше, чем ничего, хотя они не будут отображаться суточные модели на все.
Усилия, затраченные на анализе сырья, постоянно записанных данных огромен, так и с недавний всплеск интереса к ветроэнергетики, многочисленные электронные регистраторы данных пришли на рынок, который может записывать данные о ветре в форме, удобной для "энергии ветра старателей".Общепринятым является использование войти частоту, с которой скорость ветра измеряется в дует в рамках серии предопределенных скорости "закрома", например, 0-5 км / ч, 5-10 км / ч, 10-15 км / ч, и так далее. Если более точные результаты хотел, то узкие контейнеры могут быть определены для улучшения разрешения, но это, конечно, требует более сложного регистратор или больше аналитической работы впоследствии.
Наиболее полезной отправной точкой для любого сложного, пытаясь предсказать производительность мельницы в данном ветрового режима является создание или получить скорость-частотная гистограмма, которая показывает процент времени, что ветер дует с разными скоростями; (Как и в рис. 128 ). Это была построена из почасовых данных о ветре путем суммирования Сколько часов в год, в среднем, ветер был записан как будто они были дует со скоростью в пределах каждого заранее определенного «БИН»; например, в фиг. 128 , бункеры находятся на 1 миль в час промежутки времени, а их было около 5 почасовая записи 0 миль в час, 100 почасовой учет 1 миль в час, и так далее. Очевидно электронный регистратор данных, которая автоматически измеряет и записывает частоту скорости ветра в заданных бункеров делает эту задачу гораздо проще.
Это также довольно часто, чтобы представить данные о ветре в виде кривой скорости частоты. Они находятся в следственных Высокое разрешение скорость частоты гистограмм. Ветровой режим данного сайта характеризуется скорость частоты кривой, которая будет иметь аналогичную форму каждый год, и не будет меняться очень сильно отличается от одного года к другому. Скорость частоты кривые могут быть синтезированы с помощью сложного математического процесса с использованием того, что известно как Вейбулла функции распределения вероятностей, которые, обеспечивая определенные параметры правильно выбранной, будет производить проходимый корреляцию с природными эмпирически кривых, измеренных ветровой режим; анализ требуется, это выходит за рамки этой книги, и рассматривается в работе. [45] и другие.
Инжир. 128 скорость-частотная гистограмма Ветер
Таким образом, лучшая информация, что когда-либо, как правило, доступны будут час за часом кривая распределения частоты ветер для сайта. В идеале, это должно быть объединены с данными давая среднемесячные скорости и процент спокойствия в месяц ветра. Для орошения накачкой имеет решающее значение для рассмотрения режима ветра в течение месяца максимальной потребности в воде; среднегодовые не достаточно хорош для этого.
v. Заявленные характеристики Windpump производителей
Самый простой метод оценки производительности можно ожидать от Windpump заключается в использовании данных производителей, как напечатано в их брошюрах. Например, рис. 129 показывает, таблиц и производительности кривые "Kijito" диапазоне windpumps, основанный на "ИТ-Windpump" и сделал в Кении (см рис. 116 ). Таблица показывает среднесуточное производство следует ожидать при различных насосных головок для четырех размеров Kijitos в трех различных средних скоростей, определяется как «легкие» 2-3м / с, "средний" 3-4 м / с и "сильный" 4 -5m / с, а кривые воспроизвести эти результаты только для «средних» скоростях ветра. Интересно отметить, насколько чувствительна windpumps являются скорость ветра; маленький машина с 12ft (3.7m) ротора будет выступать в 5м / с ветра почти так же хорошо, как крупнейший машины (24ft или 7,3) делает в 3м / с ветра; это происходит потому, что в 4,6 раза больше энергии на единицу поперечного сечения 5 м / с ветра, как в 3 м / с ветра в результате закона куба.
Инжир. 129 "Данные о производительности для кенийской производства" изготовителей диапазоне Windpump Kijito "на основе ИТ Windpump (см также рис. 116 )
Проблема с Заявленные характеристики производителя является то, что некоторые брошюры включают неточные, недостоверные или даже неполные данные.Например, иногда не ясно, что скорость ветра применяется для заявленных результатов изготовителя. Существует тенденция для производителей приводим данные по производительности необычно высоких средних скоростей ветра, без сомнения, потому что это делает взгляд производительность более впечатляющим, и затем они дают эмпирические правила, которые в некоторых случаях, кажется, не точны для снижения выхода более реалистичным уровни для наиболее распространенных скорости ветра.
Трудностей, неразрывно мониторинга производительности из Windpump часто мешает пользователям на самом деле проверки того, что они получают то, что им было обещано; если чашка счетчик анемометра и счетчик воды имеется, можно измерить ветра бегать и выход воды в установленные сроки времени (либо 10-минутными интервалами или суточными интервалами - краткосрочные и долгосрочные - рекомендуется). Средней скорости ветра и средняя выходная воды за эти периоды могут быть зарегистрированы, а затем строится как скатерограмме. Когда достаточное количество очков, получены на скатерограмме, "лучший-Fit" кривую можно нарисовать для получения характеристиками производительности. Рекомендуется, что институциональные пользователей и других лиц, которые нуждаются в закупать многочисленные windpumps должны стремиться гарантии исполнения от их поставщика и должен сделать некоторые попытки, чтобы проверить, является ли достигается производительность, например, в порядке, просто предложил. В некоторых случаях влияет на производительность может произойти просто потому, что был использован неправильный размер насоса или неправильно инсульт, и значительные улучшения в производительности может быть результатом замены насоса для правильного размера или от изменения инсульт.
I. Общие принципы
Чтобы изменить размер Windpump для ирригационных целей, как правило, требуют оценки должны быть сделаны из неделя за неделей, месяц за месяцем средняя производительность. Один из способов сделать такую оценку, чтобы объединить данные на известном исполнении Windpump на различных часовых средних скоростей ветра с данным гистограммы распределения скорости ветра (или числовой информации о количестве часов в месяц, что ветер дует в пределах предварительно -определенной скорости "закрома"). Это иллюстрируется табл 19 , что дает ожидаемый результат в Windpump в различных Дни с ветрами и статистической среднее количество часов, что ветер дует в пределах каждого диапазона скорости (или скорости "бен" является излюбленным жаргон). Таким образом, общий объем для каждой скорости бен получается путем умножения выход в час при этой скорости и количество часов, на котором что скорость, скорее всего, повторится. По сложения выход для каждой скорости мусорное ведро, мы приходим к общей годовой добычи. Важность этом ежемесячно том, что довольно часто мере ветрено месяц будет средние скорость ветра в размере лишь около 60 до 70% от среднегодовой скорости среднего ветра, поэтому доступная энергия ветра в наименее ветреный месяц может составлять всего лишь 20% из чего можно ожидать в среднем в скорости ветра, равной среднегодовой скорости ветра.Поэтому, если используются среднегодовые, и с большим отрывом безопасности необходимо учитывать для «наименее ветреные месяц» условиях, (при условии, поливная вода необходима в наименее ветреный месяц или через месяц со средней скорости ветра ниже среднегодового.
Таблица 19 Расчет Windpump вывода с помощью "Binned" WindSpeed ДАННЫЕ
Графический способ достижения такого же результата, как используется в таблице 19 показан на фиг. 130 . При этом частота гистограммы скорость ветра, (предпочтительно в течение месяца в то время,), показанной в (а), умножается на производительность Windpump характеристики, показанной на идеализированной форме в фиг. 130 (б); В этом примере предполагается, Windpump который начинается при номинальном 2 м / с, производит 3 кВт вывода на номинальной скорости 5 м / с и полностью свернутый в 9м / с. Гистограмма производительность Windpump с использованием аналогичных скорости "закрома" на диаграмме () строится на характеристике производительности Windpump. Наконец обобщенный гистограмма производительность Windpump в (б) умножается на гистограмме распределения скорости ветра в (), чтобы получить гистограмму прогнозирования производительности (с). Чтобы проиллюстрировать механику умножения двух гистограмм вместе, первая скорость бен в (а), 200h, первый в (б) равен нулю кВт, так что их произведение в (с) равен нулю кВт; Второй 600 х 0 = 0, третий 750hours х 0.5kW = 375kWh, четвертый 800h х 1,5 кВт = 1200kWh, и так далее.
Инжир. 130 Пример того, как рассчитать выход энергии ветряной мельницы с помощью частотного распределения скорости ветрового режима (а) и умножив его на характеристике ветряная мельница производительностью (б), чтобы получить выход (с)
II. Простой "верховенства пальца" подход
Проблема с описанными выше способами, что результат только так хорошо, как данные ветра и производительности, используемых, которые слишком часто ненадежны. Поэтому, если только приблизительные данные, то проще правило может быть более целесообразно использовать не пытаться любой детальный анализ (и часто полезно в любом случае в качестве перекрестной проверки на других методов). Этот метод был первоначально предложен в [45] и [51], а также обеспечивает разумную метод оценки.
Правило предполагает, что система Windpump, в среднем, на 17% эффективнее в преобразовании энергии ветра в гидравлической мощности, которые во многих случаях, вероятно, не плохо оценка (потери в системе Windpump и общая эффективность, что может быть Ожидается, обсуждаются более подробно в следующем разделе этой главы). Средняя гидравлической мощности, мощности для Windpump около 17% средней эффективности будет:
потому что плотность воздуха на уровне моря составляет примерно 1,2 кг / м 3 , следует, что:
Если .1v 3 умножается на интервал времени в часах, относящихся к средней скорости ветра используется, то выход может быть вычислена. Например, если V является среднесуточные скорость ветра (на основе 24 часов), то суточная добыча гидравлической энергии будет:
Если это умножается на площадь ротора в квадратных метрах, что дает дневной выход гидравлической энергии. Разделив количество ватт-часов в сутки к 2,725 преобразует их в ежедневной продукта "куб.м. метров", или м 3 .м (т.е. выход в кубических метрах времена напор в метрах). Хотя необычным способом выражения энергии, это легко может быть преобразован в ежедневной добычей воды в какой-либо конкретной насосной головки; например .:
что 36,7 млн 3 / день, если поднял через 10 м, или 3.67m 3 / сут через 100 м и т.д.
III. Общая эффективность системы
Таблица 20 показывает факторы, относящиеся к эффективности windpumps, и показывает, что между 7 и 27% от значения, полученного для энергии ветра в (с использованием средней скорости ветра) могут быть преобразованы в гидравлической энергии. Поскольку скорость ветра изменяется непрерывно, фактическая энергия ветра в значительно больше, чем если ветер непрерывно в средней ветра, скорости. Точная пропорция, с помощью которого энергия доступна превышает показатель, который может быть рассчитан на основе среднего значения зависит от формы кривой распределения скоростей ветра, но, как правило, он может быть в два раза показатель прибыли на использовании среднего значения. Это объясняет, почему существует "эффективность" фактор 180-250% используется, чтобы позволить для недооценке которые в противном случае возникнуть, если скорость среднего ветра были просто в кубе без других пособий.
Таблица 20 Факторы, влияющие на Windpump эффективности системы
Этот результат указывает на то, что фигура 17% общей эффективности, используемый для получения 0,1 V 3 эмпирическое правило, описанного выше, могут изменяться в зависимости от различных режимов windpumps и ветра на плюс или минус 10% от общей энергии, доступной. Таким образом, правило большого пальца коэффициента использовали 0,1, и, следовательно, предсказанный выход с помощью этого метода, как правило, можно ожидать, чтобы быть в пределах от 0,6 до 1,6 раз от результата, полученного с помощью 0,1 и среднюю скорость ветра.
IV. Требования ветра для хозяйственной деятельности
Удобный способ для оценки стоимости и сравнения с ветряными мельницами, чтобы оценить общую стоимость установки системы в зависимости от области ротора (например, в долларах за квадратный метр ротора). Поскольку выход энергии зависит от режима ветра в сочетании с эффективностью системы и ее площади ротора, стоимость единицы площади ротора даст указание на стоимости энергии в заданном режиме ветра, если предполагается равномерное эффективность системы, (или верхний и нижний пределы, такие как указано в предыдущем разделе, могут быть использованы).
Ветер насос цены соотносятся довольно тесно с площадью ротора покупается. Цены для промышленно выпускаемых windpumps (не включая доставку и установку) в США $ 200-400 / м 2 Диапазон, в то время как ветряные генераторы, как правило, примерно в три раза дороже за единицу площади ротора (для небольших машин) или в два раза дороже для больших машин. Windpumps сделано в развивающихся странах могут быть значительно дешевле; например "Tawana", Пакистан сделал версия IT Windpump стоит около $ 130 / м 2 (в 1985 году). "Do-It-Yourself" windpumps, построенные в селе, такие как используются в Таиланде очень много еще дешевле, но стоимость очень сильно зависит от того, какие предположения делаются на стоимости строительно труда.
Сочетание этих затрат с ранее выданным предположениями по производительности будет показать, что в текущих ценах, большинство windpumps нужно, средней скорости ветра в регионе от 2,5 до 3 м / с, чтобы начать, чтобы быть экономически привлекательным, и ветряные генераторы должны 3,5 до 5 м / с. Кроме того закон куб гарантирует, что экономика ветряными мельницами значительно улучшить при более высоких Дни с ветрами, что делает их наиболее экономически привлекательная технология в большинстве ветровых режимов, имеющих средние Дни с ветрами превышающей сказать 5 м / с.