ЛОПАСТЬ ВЕТРОКОЛЕСА

Полезная модель относится к области ветроэнергетики и может быть использована при разработке конструкций лопастей ветроколес, приводящих в движение роторы ветрогенераторов.
Известна лопасть ветроколеса, приводимая в движение подъемной силой, обусловленной только ненулевым углом атаки лопасти (по отношению к направлению вектора скорости ветропотока) и несимметричностью ее профиля (Авторское свидетельство SU №1828000 A1, дата приоритета 19.03.1991 г., дата публикации 10.10.1995 г., Ланде С.А. и др., RU).
Недостатками данного устройства является сложность конструкции и трудоемкость изготовления лопасти ветроколеса, имеющей несимметричный профиль (Кондратьев В. Самый лучший профиль // Крылья Родины, №2, 1987 г., с.20-25), а также низкий КПД ветрогенератора, оснащенного ветроколесом, имеющим такие лопасти (20-35%; http://blog.ae.net.ua/2010/06/vertikalnie-vetrogeneratorv-protiv-gorizontalnih-vetrogeneratorov/. дата обращения 22.02.2014 г.).
Наиболее близкой к заявляемому устройству является лопасть ветроколеса, принятая в качестве прототипа, которая имеет симметричный профиль и приводится в движение подъемной силой, обусловленной только ненулевым углом атаки лопасти по отношению к направлению вектора скорости ветропотока (Авторское свидетельство SU №2076239 C1, дата приоритета 07.02.1995 г., дата публикации 27.03.1997 г., Петинов В.И., RU, прототип).
Недостатками прототипа являются недостаточно высокое значение коэффициента подъемной силы, действующей на лопасть ветроколеса, имеющей симметричный профиль (Кондратьев В. Самый лучший профиль // Крылья Родины, №2, 1987 г., с.20-25), а также низкий КПД ветрогенератора, оснащенного ветроколесом, имеющим такие лопасти (20-35 %; http://blog.ae.net.ua/2010/06/vertikalnie-vetrogeneratory-protiv-gorizontalnih-vetrogeneratorov/, дата обращения 22.02.2014 г.).
Задачей предлагаемой полезной модели является увеличение подъемной силы, действующей на лопасть ветроколеса, имеющую симметричный профиль, и как следствие этого, - увеличение КПД ветрогенератора.
Для решения поставленной задачи в лопасти ветроколеса, имеющей симметричный профиль, согласно полезной модели, противолежащие поверхности покрыты слоями материалов, имеющих разные значения коэффициента теплопоглощения, причем поверхность, на которую воздействует подъемная сила, покрыта слоем материала, обладающим большим значением коэффициента теплопоглощения, чем значение коэффициента теплопоглощения слоя материала, покрывающего противолежащую ей поверхность лопасти, при этом поверхности лопасти отделены друг от друга термоэкраном, выполненным из механически прочного материала, обладающего теплоизоляционными свойствами.
Термоэкран может быть выполнен, например, из пеностекла.
0
0
Возможность реализации указанного назначения в полезной модели подтверждается увеличением подъемной силы, действующей на лопасть ветроколеса, величина которой определяется из выражения F=F+ΔF=F+ρ·ΔA·ε·S/M, где:
0
F - подъемная сила, порожденная ненулевым углом атаки лопасти ветроколеса;
ΔF - увеличение подъемной силы, порожденное разностью температур потоков воздуха, обтекающих противолежащие поверхности лопасти;
ρ - плотность воздуха;
1
2
ΔA=A-A,
1
A - коэффициент теплопоглощения материала, которым покрыта поверхность лопасти, на которую воздействует подъемная сила со стороны ветропотока;
2
A - коэффициент теплопоглощения материала, которым покрыта противолежащая ей поверхность лопасти;
ε - полная энергия теплового излучения, которому подвергаются обе поверхности лопасти ветроколеса со стороны окружающей среды, от солнечного излучения и прочего;
S - общая площадь поверхности лопасти, равная сумме площади поверхности лопасти, на которую воздействует подъемная сила со стороны ветропотока, и площади противолежащей ей поверхности лопасти;
M - масса потока воздуха, обтекающего лопасть ветроколеса в непосредственной близости от ее поверхности.
Каждая лопасть ветроколеса, обладающая симметричным профилем, имеет две поверхности: поверхность, на которую воздействует подъемная сила (динамически активная поверхность), и противолежащая ей поверхность (динамически пассивная поверхность). Обе поверхности соединяются друг с другом в задней и передней (по отношению к направлению ветропотока, при котором создается максимальный вращающий момент, действующий на лопасти ветроколеса) частях лопасти следующим образом:
- в задней части лопасти ее поверхности соединяются непосредственно друг с другом, образуя острый угол;
- в передней, утолщенной части лопасти ее поверхности соединяются друг с другом с помощью закругленной кромки лопасти.
1
2
1
2
При этом поверхность, на которую воздействует подъемная сила, покрыта слоем материала, обладающим большим значением коэффициента теплопоглощения A, чем значение коэффициента теплопоглощения A слоя материала, покрывающего противолежащую ей поверхность лопасти (A>A).
Значения коэффициента теплопоглощения для ряда веществ и материалов приведены в таблице (Путилов К.А., Фабрикант В.А.. Курс физики. Том III. Оптика. Атомная физика. Ядерная физика. М: ГИ ФМЛ, 1963 г. 636 с.). Для металлов значения этого коэффициента приведены только для случая, когда металлы находятся в окисленном состоянии, так как с поверхностями металлов, находящихся именно в таком состоянии приходится иметь дело на практике. При отсутствии окисления значения коэффициентов теплопоглощения всех перечисленных в таблице металлов в несколько раз меньше, чем значения, приведенные в таблице для случая окисленных металлов, и могут не превышать нескольких сотых. Например, в случае блестящей полированной поверхности железа, коэффициент его теплопоглощения равен 0,3, а в случае блестящей полированной поверхности меди, коэффициент ее теплопоглощения равен 0,13 (Путилов К.А., Фабрикант В.А.. Курс физики. Том III. Оптика. Атомная физика. Ядерная физика. М.: ГИ ФМЛ, 1963 г. 636 с.).
При вращении ветроколеса обе противолежащие поверхности каждой лопасти колеса в одинаковой степени подвержены тепловому воздействию со стороны окружающей среды (солнечного излучения и прочего). При этом они нагреваются в разной степени, поскольку покрыты слоями материалов, имеющих неодинаковые значения коэффициента теплопоглощения: поверхность лопасти, на которую воздействует подъемная сила, нагревается больше, чем противолежащая ей поверхность. Это объясняется законом Кирхгофа для теплопоглощения и излучения нечерного (серого) тела (Яворский Б.М., Детлаф А.А., Лебедев А.К. Справочник по физике для инженеров и студентов. М.: Оникс, 2006 г. 1056 с.; Путилов К.А., Фабрикант В.А.. Курс физики. Том III. Оптика. Атомная физика. Ядерная физика. М.: ГИ ФМЛ, 1963 г. 636 с.).
В частности, степень нагрева поверхностей лопасти ветроколеса при его вращении зависит от цвета их покрытия. Например, если покрытие поверхности лопасти, на которую воздействует подъемная сила, имеет черный цвет, а противолежащая ей поверхность - белый цвет, то температура первой поверхности будет на несколько десятков градусов Цельсия выше температуры второй поверхности при одинаковом тепловом воздействии на эти поверхности (http://www.zaorvsin.com.ua/articles/article01.htm , дата обращения 22.02.2014 г.).
Однако любое вещество, подвергающееся тепловому воздействию, не только поглощает тепловую энергию (т.е. нагревается), но и само становится источником теплового излучения в окружающую среду, нагревая окружающие его тела и вещества (Яворский Б.М., Детлаф А.А., Лебедев А.К. Справочник по физике для инженеров и студентов. М.: Оникс, 2006 г. 1056 с.; Путилов К.А., Фабрикант В.А.. Курс физики. Том III. Оптика. Атомная физика. Ядерная физика. М: ГИ ФМЛ, 1963 г. 636 с.). Известно, что:
- в соответствии с законом Кирхгофа о теплопоглощении и излучении серого тела, чем больше тело поглощает тепловую энергию, тем больше энергии оно и излучает в окружающую среду;
- в соответствии с законом Стефана-Больцмана (Яворский Б.М., Детлаф А.А., Лебедев А.К. Справочник по физике для инженеров и студентов. М.: Оникс, 2006 г. 1056 с.; Путилов К.А., Фабрикант В.А.. Курс физики. Том III. Оптика. Атомная физика. Ядерная физика. М.: ГИ ФМЛ, 1963 г. 636 с.), энергия теплового излучения тела в окружающую среду тем больше, чем выше его температура (при условии, что тело, поглощая тепловую энергию, излучает только инфракрасное излучение, но не превращает и не излучает ее в виде электромагнитного излучения других диапазонов: радиоволн (начиная со сверхдлинных), терагерцового излучения, видимого света, а также ультрафиолетового, рентгеновского и жесткого излучений), что, как правило, и имеет место в ветроэнергетических установках.
Таким образом, при обтекании, например, воздухом нагретого тела, воздух тем больше нагревается, чем выше температура обтекаемого им тела. А чем выше температура воздуха, тем большей энергией он обладает (Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М: Наука, 1980 г., 512 с.).
1
2
В связи с вышесказанным, при обтекании ветропотоком лопасти ветроколеса, противолежащие поверхности которой покрыты слоями материалов, обладающих разными значениями коэффициента теплопоглощения, потоки воздуха, обтекающие лопасть вдоль противолежащих ее поверхностей, будут иметь неодинаковые температуры и обладать разной энергией. Так поток воздуха, обтекающий поверхность лопасти, на которую воздействует подъемная сила, и покрытую слоем материала, обладающим большим значением A коэффициента теплопоглощения, будет обладать большей температурой и энергией, чем воздух, обтекающий противолежащую ей поверхность ветроколеса, покрытую слоем материала, обладающим меньшим значением A коэффициента теплопоглощения.
Термоэкран, расположенный между противолежащими поверхностями лопасти ветроколеса, препятствует теплообмену между этими плоскостями и способствует сохранению разности температур их нагрева, а также разности температур и энергий потоков воздуха, обтекающих противолежащие поверхности лопасти.
1
2
В связи с вышесказанным, при обтекании воздухом лопасти ветроколеса, противолежащие поверхности которой отделены друг от друга термоэкраном и покрыты слоями материалов, обладающих разными значениями коэффициента теплопоглощения, полная удельная энергия потока воздуха, обтекающего лопасть вдоль поверхности, обладающей большим значением A коэффициента теплопоглощения, вследствие его нагрева будет больше полной удельной энергии потока воздуха, обтекающего противоположную вышеупомянутой (т.е. динамически пассивную) поверхность лопасти, покрытую слоем материала, обладающим меньшим значением A коэффициента теплопоглощения, то есть
1
1
1
2
2
2
1
1
1
2
2
2
1
1
2
1
1
2
2
1
где e=E/m; e=E/m; E и e - соответственно полная и полная удельная энергия элементарного потока воздуха, обтекающего поверхность лопасти ветроколеса, на которую воздействует подъемная сила, и покрытую слоем материала, обладающим большим значением A коэффициента теплопоглощения; E и e - соответственно полная и полная удельная энергия элементарного потока воздуха, обтекающего противолежащую ей поверхность лопасти ветроколеса, обладающую меньшим значением A коэффициента теплопоглощения, чем коэффициент A (A>A); m - масса элементарного потока воздуха, обтекающего поверхность лопасти ветроколеса, на которую воздействует подъемная сила, и покрытая слоем материала, обладающим большим значением A коэффициента теплопоглощения; m - масса элементарного потока воздуха, обтекающего противолежащую ей поверхность лопасти ветроколеса, обладающая меньшим значением A коэффициента теплопоглощения, чем коэффициент A;
ε - полная энергия теплового излучения, которому подвергаются обе поверхности лопасти ветроколеса со стороны окружающей среды (от солнечного излучения и прочего).
Под элементарным потоком подразумевается плоский поток, вертикальный размер и площадь живого сечения которого стремятся к нулю (Гейер В.Г., Дулин B.C., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод. М: Недра, 1991 г., 331 с.)
Неравенство (1) следует из известного соотношения (Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М: Наука, 1980 г., 512 с.), связывающего полную энергию, которой обладает воздух, с его абсолютной температурой:
1
2
ET
где T - значение абсолютной температуры (по шкале Кельвина) воздуха в непосредственной близи от более нагретой поверхности лопасти ветроколеса, на которую действует подъемная сила; T - значение абсолютной температуры (по шкале Кельвина) воздуха в непосредственной близи от противолежащей ей (динамически пассивной) поверхности лопасти ветроколеса; k - коэффициент пропорциональности. Из (4) и (5) следует, что
где
Известно (Гейер В.Г., Дулин B.C., Заря А.Н. Гидравлика и гидропривод. М.: Недра, 1991 г., 331 с.), что в общем случае:
1
2
1
2
1
2
1
2
u - скорость обтекания воздухом поверхности лопасти ветроколеса, на которую воздействует подъемная сила; u - скорость обтекания воздухом противолежащей ей (динамически пассивной) поверхности лопасти ветроколеса; γ - значение давления на поверхность лопасти, на которую воздействует подъемная сила; y - значение давления на противолежащую ей (динамически пассивную) поверхность лопасти ветроколеса; ρ - значение плотности воздуха непосредственно вблизи поверхности лопасти ветроколеса, на которую воздействует подъемная сила; ρ - значение плотности воздуха непосредственно вблизи противолежащей ей (динамически пассивной) поверхности лопасти ветроколеса; z - геометрическая высота поверхности ветроколеса (вблизи кромки ветроколеса), на которую воздействует подъемная сила; z - геометрическая высота противолежащей ей (динамически пассивной) поверхности лопасти ветроколеса (вблизи кромки ветроколеса).
При симметричном профиле ветроколеса и угле атаки лопасти ветроколеса, равном нулю,
1
2
В качестве плоскости сравнения потенциальной энергии, от которой отсчитываются величины z и z, всегда может быть выбрана горизонтальная плоскость, удаленная от лопасти ветроколеса так, что будет выполняться неравенство
где C - абсолютная толщина профиля лопасти ветроколеса, т.е. максимальное расстояние между противолежащими поверхностями лопасти ветроколеса в сечении, перпендикулярном хорде ветроколеса,
В этом случае можно считать, что
Тогда неравенство (1) с учетом (10)-(12) и (15) принимает вид
Поскольку в реальных ситуациях скорость обтекания ветроколеса воздухом имеет большие значения, то за время обтекания воздухом лопасти ветроколеса воздух, находящийся в непосредственной близости от поверхностей лопасти ветроколеса, получивших энергию в результате воздействия на них теплового излучения со стороны окружающей среды (от солнечного излучения и прочего), - практически не успевает передать свою энергию, полученную от поверхностей лопасти, примыкающим к ней более холодным соседним массивам воздуха. Поэтому процессы, протекающие в воздухе в непосредственной близи от этой лопасти, можно рассматривать как адиабатические (т.е. изоэнтропийные).
Кроме того, вследствие упомянутой выше скоротечности процессов, происходящих в непосредственной близости от лопасти ветроколеса, эти процессы можно рассматривать не только как адиабатические (изоэнтропийные), но и как изохорные, т.е. в течение этих процессов плотность воздуха практически не успевает измениться за время обтекания воздухом поверхностей лопасти ветроколеса, т.е. можно считать, что
Вследствие равенства (17)
Из (16) и (17) с учетом (4) и (6) следует, что при большей температуре потока воздуха в непосредственной близости от лопасти ветроколеса, на которую воздействует подъемная сила, чем температура воздуха в непосредственной близости от противолежащей ей лопасти
что приводит к увеличению подъемной силы, действующей на лопасть, на величину
Выражение (20) с учетом (4)-(12) и (15):
или
1
2
1
2
где ΔA=A-A; ΔT=T-T, S - общая площадь поверхности лопасти, равная сумме площади поверхности лопасти, на которую воздействует подъемная сила со стороны ветропотока, и площади противолежащей ей поверхности лопасти; M - масса потока воздуха, обтекающего лопасть ветроколеса в непосредственной близости от ее поверхности; ∝ - знак пропорциональности.
При этом результирующая подъемная сила, действующая на лопасть ветроколеса, с учетом (21) определяется по формуле
0
где F - подъемная сила, порожденная ненулевым углом атаки лопасти ветроколеса.
На чертеже схематично изображена лопасть ветроколеса, поперечное сечение. Поверхность 1 лопасти ветроколеса, на которую воздействует подъемная сила, покрыта слоем материала, обладающим большим значением коэффициента теплопоглощения, чем противолежащая ей динамически пассивная поверхность 2 лопасти. Поверхности 1 и 2 разделены термоэкраном 3.
1
2
Примером конкретного выполнения предлагаемой лопасти ветроколеса является лопасть, поверхность 1 которой, подверженная воздействию на нее подъемной силы, покрыта слоем стали (коэффициент теплопоглощения A=0,8; см. Табл.), а противолежащая ей динамически пассивная поверхность 2 лопасти - покрыта слоем алюминия (коэффициент теплопоглощения A=0,1; см. Табл.).
Лопасть используется следующим образом.
При обтекании потоком воздуха лопасти ветроколеса симметричного профиля, поверхность которой 1 покрыта слоем материала, обладающим большим значением коэффициента теплопоглощения, чем слой материала, которым покрыта поверхность 2, поверхность 1 нагревается до более высокой температуры, чем поверхность 2. Вследствие этого поверхность 1 нагревает обтекающий ее воздух до более высокой температуры, чем температура потока воздуха, обтекающего поверхность 2 лопасти. При этом энергия потока воздуха, обтекающего поверхность 1, и давление в нем становятся выше энергии и давления в потоке воздуха, обтекающем поверхность 2. В результате эта разность давлений приводит к увеличению подъемной силы, действующей на поверхность 1 лопасти ветроколеса, на величину, определяющуюся по формуле (20). В свою очередь эта подъемная сила увеличивает вращающий момент, действующий на ветроколесо и передающийся ротору ветрогенератора. В итоге увеличивается напряжение на выходе ветрогенератора. Термоэкран 3, расположенный между противолежащими поверхностями лопасти ветроколеса, препятствует теплообмену между этими поверхностями и способствует сохранению разности температур их нагрева, а также разности температур и энергий потоков воздуха, обтекающих противолежащие поверхности лопасти, а следовательно, и увеличению напряжения на выходе ветрогенератора.
Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства заключается в более полном использовании энергии ветра при ее преобразовании в электрическую энергию, что выражается в повышении КПД ветрогенератора и увеличении напряжения на его выходе при неизменной скорости ветропотока.