Fyzika větrných elektráren a mlýnů komentář •Alternativním zdrojům energie je věnována relativně velká mediální pozornost ze všech možných hledisek, ale o fyzikální podstatě funkce není dostupného zpravidla vůbec nic. Vzhledem k absenci tohoto pohledu vznikla tato prezentace jako případný zdroj inspirace pro učitele středních škol. Nepředpokládá se, že by byla použita přímo ve výuce. Tomu odpovídá zvolená náročnost, která se středoškolskou úrovni pouze volně koresponduje. Využití energie větru dříve •Větrný mlýn Kinderdijk, Netherlands, postaven kolem roku 1740 • • • img4ec93ed07330a_1000 . Don_Quixote_6 Don Quijote bojuje s větrným mlýnem - kniha Miguel de Cervantes, ilustrace Gustave Doré e-126 celek zepredu s jerabem Využití energie větru nyní Větrný park, video •http://www.youtube.com/watch?v=LQxp6QTjgJg&feature=related Havárie větrné turbíny Vestas •http://www.youtube.com/watch?v=7nSB1SdVHqQ wind-turbine3 Rozměry velké větrné turbíny Tabulka parametrů velkých větrných turbín tok energie větru vrtule větrné turbíny disk vrtule vrtule Do větru s tokem energie W je postavena vrtule která dává výkon P P koeficient účinnosti (využitelnosti) Modely větrné turbíny 1.Větrná turbína typu „roura“ •Předpoklady: •Roura je velmi dlouhá tak, že proudění kolem vstupu nijak neovlivňuje proudění na výstupu a obráceně. •Proud vycházející z roury je homogenní o tlaku rovnému tlaku okolnímu (mechanická rovnováha) • •turbínu nahradíme diskem, který odebírá vzduchu přes něj proudícímu rychlostí v energii. •Předpokládáme homogenní proudění s tlakovou ztrátou •Výkon je tedy W= ΔpSv práce vzduchu na turbíně 1.Větrná turbína typu „roura“ •Vypočtená využitelnost je mnohem nižší, než v praxi dosahované hodnoty, tento model je tedy neadekvátní. práce vzduchu na turbíně co když tubus odděláme ? změní se proudění jak? změní se tlakový rozdíl Jaké předpoklady o proudění jsou adekvátní? •Proudění je laminární. •Vzduch lze považovat za nestlačitelný •Proudění je rotačně symetrické •Proudění vzduchu prošlého turbínou je ve velké vzdálenosti za diskem homogenní a v mechanické rovnováze s okolním vzduchem. ( Pohybuje se pomaleji) Rozdíl toků kinetické energie vzduchu před a za turbínou je výkon na turbíně •Rotačně symetrické proudění před a za diskem, je na disku „sešito“ tak, že rychlosti jsou spojité práce vzduchu na turbíně Rovnice kontinuity •Předpokládáme, že proudění je nestlačitelné práce vzduchu na turbíně Rovnice kontinuity vymezení objemu S1 S práce vzduchu na turbíně Rovnice kontinuity S1 S S2 •Nestlačitelné stacionární potenciálové proudění splňuje Laplaceovu rovnici pro potenciál rychlostí. Pokud se mění rychlost proudění, pak je proudění divergentní nebo konvergentní a má tedy nenulové radiální složky proudění. Tomu odpovídající tlakové pole není v radiálním směru homogenní. práce vzduchu na turbíně Rovnice kontinuity S1 S Charakter proudění •disk vrtule a obalové proudnice vymezují dvě různé oblasti. větrná vrtule •otázky •můžeme v tomto případě nahradit vrtuli diskem stejných vlastností jako pro vrtuli v trubce v tom smyslu, že tlakový rozdíl a rychlost je v celé ploše vrtule stejná? práce vzduchu na turbíně Rovnice kontinuity S1 S výkon vzduchu na turbíně Rovnice kontinuity S1 S tok kinetické energie plochou S1 tok kinetické energie plochou S2 je roven rozdílu Síla působící na disk turbíny Rovnice kontinuity S1 S tok hybnosti plochou S1 tok hybnosti plochou S2 je rovna rozdílu ZZE ZZH Síla působící na vrtuli turbíny Rovnice kontinuity S tok výkonu plochou S1 tok výkonu plochou S2 P •Tlakový spád nemůže být po celém disku stejný a na kraji musí být nulový. • Moment síly na hřídeli větrné turbíny a síla odporu větru • osa rotace ≡ směr větru směr proudění z hlediska zvoleného elementu vrtule Vrtule ve větru osa rotace ≡ směr větru Vrtule ve větru osa rotace ≡ směr větru Vrtule ve větru Havárie větrné turbíny Vestas •http://www.youtube.com/watch?v=7nSB1SdVHqQ