Применение теплогенератора с постоянными магнитами в ветрогенераторах



В данной работе рассматривается идея применения теплогенератора с постоянными магнитами в ветрогенераторах. Преимущества этой схемы перед другими видами ветрогенераторов. Применение в теплогенераторе регулируемого зазора между ротором и статором. Рассматривается область применения и минусы изучаемого ветрогенератора.

Введение

Энергии ветра свойственна низкая плотность и нестабильность. Именно эти обстоятельства обуславливают трудности и создают ограничения для его использования в широких масштабах.

Кинетическая энергия ветра преобразуется ветродвигателем в механическую энергию и далее в зависимости от назначения ветроустановок эта энергия с помощью генераторов, исполнительных механизмов может быть преобразована в электрическую, тепловую, химическую или другие виды энергий.

Ветрогенераторы в классической своей схеме (вырабатывающий и накапливающий электричество) являются сложной и не всегда оправдывающей себя конструкцией. Такие ветроустановки включают в себя множество других элементов. Помимо ветровой турбины — это генератор, контролирующие ток аппаратура, аккумуляторы большой емкости. Каждый из этих элементов в разы увеличивает сложность установки, обслуживания и стоимость, а значит и рентабельность самой установки стремится к нулю. На каждом элементе происходит преобразование энергий, что в свою очередь ведет к падению КПД.

К минусам ветрогенераторов в классической схеме, можно отнести и номинальную мощность ветроустановки. В том регионе, где будут устанавливать ветроустановку, измеряют среднегодовую скорость ветра и под эту скорость ветра проектируют ветротурбину и генератор. И получается, что только при одном диапазоне скорости ветра у ветроустановки будет максимальное КПД.

При применении в ветроустановках магнитного теплогенератора большинство этих проблем исчезает.

Основная часть

1. Что представляет из себя магнитный теплогенератор

Теплогенератор состоит из ротора, круглого диска, закреплённого на валу, по радиусу которого установлены постоянные магниты, и статора — неподвижная медная пластина.

Ротор вращается и соответственно поле постоянных магнитов относительно неподвижной пластины будет меняться. Согласно уравнениям Максвелла, переменное магнитное поле порождает во всем пространстве вихревое электрическое поле, если в электрическом поле есть свободные заряды, как в случае с медной пластиной, заряды приходят в движение, создается вихревой электрический ток (токи Фуко), который уже сам создает магнитное поле и взаимодействует с магнитным полем постоянного магнита и направлен против вращения диска. При появлениях вихревого электрического тока в медной пластине будет выделяться тепло [2].

Рис. 1. Магнитный теплогенератор схематично

2. График зависимости

Рассмотрим на конкретном примере как меняется мощность ветроустановки в зависимости от количества оборотов для разной скорости ветра. Построим график зависимости мощности от количества оборотов ветроколеса для профиля лопастей Эспро, 15 % толщина, диаметром 2 м и тремя лопастями.

Все ветроустановки имеют две взаимнозависимые характеристики — коэффициент мощности и быстроходность [1].

Коэффициент мощности. Только часть полной кинетической энергии воздушного потока преобразуется ветродвигателем в механическую. Эта часть оценивается коэффициентом использования энергий ветра .

Быстроходность ветроустановок — характеристика ветроустановок, которая определяет частоту вращения при различной скорости ветра [1].

(1)

Где D – диаметр ветроколеса, n – частота вращения(об/мин),

– скорость воздушного потока.

Построим график зависимости

Коэффициент мощности зависит от быстроходности ветродвигателя с достаточной достоверностью его можно описать выражениями [1]:

1. После (2)
2. До (3)

Где – значения коэффициента быстроходности ветроколеса для максимального коэффициента мощности ветроустановки . – максимальное значение коэффициента быстроходности. Значения , – зависят от

и могут быть рассчитаны аналитически. Параметр представляет собой суммарную относительную хорду профилей на периферии. Возьмем и получим, что .

И согласно формулам (2) и (3) строим и график зависимости :

Рис. 2. График зависимости

Мощность ветроустановки можно найти по формуле [1]:

(4)

Где – плотность воздуха, – скорость воздушного потока, D – диаметр ветроколеса.

По формуле (1) рассчитываем количество оборотов в минуту для каждой и Z, а также рассчитываем значения . Обороты в минуту будут меняться с увеличением ветра, согласно формуле (1). Составим графики зависимости для разной скорости ветра.

Рис. 3. График зависимости для разной скорости ветра

Теперь согласуем рабочие характеристики ветротурбины и подключаемого к ней магнитного теплогенератора.

3. Найдем зависимость выделяемого теплогенератором тепла от оборотов ротора.

При вращениях ротора с постоянными магнитами в медной пластине будет образовывается ЭДС, которую согласно закону электромагнитной индукций можно найти по формуле [2]:

Где – магнитная индукция на расстоянии z от магнита, – циклическая частота, S площадь контура, где происходит изменение магнитной индукций. Представим циклическую частоту как выражение

и получим:

(5)

Где – количество оборотов в единицу времени.

ЭДС порождает в медной пластине вихревые токи. Вихревые токи в свою очередь нагревают медную пластину.

Количество выделенного тепла, согласно закону Джоуля-Ленца, будет равна [2]:

Где – сопротивление медной пластине, где есть вихревые токи.

Таким образом можно найти зависимость количества выделяемого тепла статора от оборотов в минуту ротора.

Или же

(6)

Выражение будет постоянным.

4. Анализ совместных рабочих характеристик ветротурбины и теплогенератора. Применение регулируемого зазора между ротором и статором.

При вращениях ветротурбины крутящий момент будет передаваться на ротор с магнитами, который в свою очередь будет образовывать вихревые токи в медной пластине, которые будут соответственно нагревать ее. И так же электромагнитное поле вихревых токов согласно уравнениям Максвелла будет направлено против вращения диска с магнитами. Поэтому можно сказать, что энергия вращения ветроколеса будет идти на нагревание медной пластины. Или тоже самое . Для упрощения расчетов примем КПД привода на теплогенератор единице.

Найдем максимально возможную мощность для скорости ветра 5 м/с для этого примем

и найдем постоянное выражение Теперь построим график зависимость и совместим его с зависимостью мощности ветротурбины от оборотов и получим что и пересекается в точке для ветра 5 м/с.

Таким образом мы получили, что при ветре в 5 м/с магнитный теплогенератор будет выдавать максимально возможную мощность и соответственно «тормозить» ветротурбину до оптимальных оборотов.

Рис. 4. График зависимости

оптимального, для v=5м/с

Проанализировав график, можно сказать, что при скорости ветра в 15 м/с будет происходить чрезмерная раскрутка ветротурбины и соответственно будет сниматься меньше энергии, то есть проходит не через максимальное значение (для скорости ветра в 15 м/с) и соответственно теплогенератором будет сниматься гораздо меньше мощности, чем могло бы. Так же чрезмерная раскрутка ветротурбины опасна и тем, что возможно разрушение турбины.

Чтобы «затормозить» раскрутку ветротурбины, а соответственно и уменьшить обороты ротора магнитного теплогенератора, нужно сократить расстояние z, то есть расстояние между ротором и статором магнитного теплогенератора. В результате мы получим что , магнитная индукция увеличится и соответственно увеличится и зависимость (для скорости ветра в 15 м/с) пойдет:

Таким образом мы можем снять максимальную мощность и соответственно получить максимальное КПД для данной скорости ветра. Также мы видим, что, если оставить зазор z прежним и уменьшить скорость ветра до 5 м/с мощность снимаемая будет практически равняться нулю.

Рис. 5. График зависимости оптимального, для v=15м/с

Рис. 6. График совместных рабочих характеристик при регулированиях зазора между ротором и статором теплогенератора

Регулируя зазор между ротором и статором магнитного теплогенератора, мы можем эффективнее использовать ветроустановку. В процессе эксплуатации данной установки важно поддерживать оптимальные обороты при изменении ветра, изменяя зазор между ротором и статором теплогенератора.

Вывод.

Такая ветроустановка с теплогенератором хорошо подойдет для частных домов, но ее нельзя использовать как основной источник отопления помещений в виду переменчивости погоды, но как вспомогательное отопление она подойдет идеально. Такой тип ветроустановки можно подключать в другие системы отопления, либо электрическое, либо печное без особых трудностей, теплоноситель которых можно будет использовать для охлаждения медной пластины статора теплогенератора. И при хорошем ветре будет значительная экономия ресурсов. Особенно хорошо он проявит себя в труднодоступных регионах, где затруднен завоз энергоносителей и где преобладают сильные ветра. А это все заполярье России. Так же он идеально подойдёт на арктических станциях.

Подводя итоги, можно сказать, что данный вид ветроустановки имеет значительные преимущества по отношению к подобной технике. Конструкция теплогенератора с постоянными магнитами отличается простотой, в ней отсутствуют трущиеся и быстроизнашиваемые элементы, что облегчит его техническое обслуживание и увеличивается срок службы. А применение регулируемого зазора между ротором и статором теплогенератора позволяет более эффективно использовать ветротурбину и значительно повышает КПД при любой скорости ветра, при любых порывах будет сниматься максимально возможное количества тепла.

К минусам подобной ветроустановки можно отнести, что на постоянные магниты в теплогенераторе будет влиять повышенная температура медной пластины. При нагреве постоянного магнита магнитная индукция будет падать, поэтому необходимо применять термостойкие магниты и обеспечить их охлаждение. Так же с течением времени магнитная индукция постоянных магнитов будет падать, при создании магнитного теплогенератора необходимо обеспечить легкодоступность для замены постоянных магнитов в процессе эксплуатации.

Литература:

1. Кравцов В. С., Олейников А. М., Яковлев А. И. Неисчерпаемая энергия. Книга 1 Ветроэлектрогенераторы. Харьков «ХАИ» 2003 год.
2. Кириченко Н. А. Электричество и магнетизм. Учебное пособие. — М.: МФТИ, 2011. — 420 с.