Каковы основные преимущества вертикальных ветрогенераторов перед горизонтальными. Какие существуют типы конструкций вертикальных ветроустановок. Каковы перспективы развития вертикальных ветрогенераторов в будущем.
Особенности конструкции вертикальных ветрогенераторов
Вертикальные ветрогенераторы имеют ряд конструктивных особенностей, отличающих их от классических горизонтально-осевых установок:
- Вертикальное расположение оси вращения ротора
- Лопасти расположены вертикально вдоль оси вращения
- Не требуют механизма ориентации на ветер
- Генератор и редуктор обычно располагаются в основании мачты
- Более низкая башня по сравнению с горизонтальными ВЭУ
- Разнообразие форм ротора — ортогональные, роторы Савониуса, Дарье и др.
Преимущества вертикальных ветрогенераторов
Вертикальные ветроустановки обладают рядом важных преимуществ:
- Работают при любом направлении ветра без переориентации
- Низкий уровень шума при работе
- Более компактные размеры и меньшая площадь для установки
- Простота конструкции и обслуживания
- Меньшая стоимость по сравнению с горизонтальными ВЭУ
- Способность работать при малых скоростях ветра от 2-3 м/с
- Безопасность для птиц и летающих объектов
Типы конструкций вертикальных ветрогенераторов
Существует несколько основных типов конструкций вертикальных ветроустановок:
Ротор Савониуса
Простейший тип вертикального ротора, состоящий из двух или нескольких полуцилиндрических лопастей. Отличается простотой изготовления, но имеет низкий КПД.
Ротор Дарье
Ротор с двумя или тремя изогнутыми лопастями. Обладает более высоким КПД по сравнению с ротором Савониуса, но требует раскрутки для запуска.
H-образный ротор
Ротор с прямыми вертикальными лопастями, закрепленными на горизонтальных траверсах. Простая и эффективная конструкция.
Геликоидный ротор
Ротор со спиралевидными лопастями. Обеспечивает плавный ход и низкий уровень шума.
Перспективы развития вертикальных ветрогенераторов
Вертикальные ветрогенераторы имеют большой потенциал для дальнейшего развития и совершенствования:
- Повышение КПД за счет оптимизации профиля лопастей
- Применение новых композитных материалов для снижения веса
- Разработка эффективных систем аккумулирования энергии
- Создание гибридных ветро-солнечных установок
- Внедрение «умных» систем управления для оптимизации работы
- Расширение сферы применения в городской среде
При дальнейшем совершенствовании вертикальные ветрогенераторы могут стать эффективной альтернативой горизонтальным установкам, особенно для частного и коммерческого использования.
Сравнение вертикальных и горизонтальных ветрогенераторов
| Параметр | Вертикальные ВЭУ | Горизонтальные ВЭУ |
|---|---|---|
| КПД | 15-20% | 25-35% |
| Минимальная рабочая скорость ветра | 2-3 м/с | 3-5 м/с |
| Ориентация на ветер | Не требуется | Требуется |
| Уровень шума | Низкий | Средний |
| Стоимость | Ниже | Выше |
| Занимаемая площадь | Меньше | Больше |
| Высота мачты | 10-20 м | 40-120 м |
Как видно из сравнения, вертикальные ветрогенераторы уступают горизонтальным по КПД, но имеют ряд других важных преимуществ.
Применение вертикальных ветрогенераторов
Вертикальные ветроустановки находят применение в следующих областях:
- Частные домохозяйства для автономного энергоснабжения
- Малый и средний бизнес для снижения затрат на электроэнергию
- Городская среда — освещение улиц, рекламные конструкции
- Телекоммуникационные вышки в удаленных районах
- Автономное энергоснабжение маяков, метеостанций
- Опреснительные установки
- Зарядные станции для электромобилей
Благодаря своим преимуществам, вертикальные ветрогенераторы особенно эффективны для применения в городских условиях и частном секторе.
Факторы, влияющие на эффективность вертикальных ветрогенераторов
На эффективность работы вертикальных ветроустановок влияют следующие основные факторы:
- Средняя скорость ветра в месте установки
- Форма и профиль лопастей ротора
- Высота мачты
- Наличие препятствий, создающих турбулентность
- Качество генератора и электроники
- Правильность монтажа и настройки
Для достижения максимальной эффективности необходимо учитывать все эти факторы при проектировании и установке вертикального ветрогенератора.
Ветроэнергетическая установка с вертикальной осью вращения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
УДК 621.311.24
ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
И.М. Кирпичникова*, Е.В. Соломин**
*г. Челябинск, ЮУрГУ, **г. Миасс, ГРЦ «Вертикаль»
VERTICAL AXIS WIND TURBINE
I.M. Kirpichnikova, E.V. Solomin Chelyabinsk, SUSU, Miass, “SRC-Vertical”, Ltd.
В статье дается описание ветроэнергетической установки с вертикальной осью вращения, особенности ее конструкции, методика расчета мощности, Представлены основные технические характеристики ВЭУ и схема ее подключения.
Ключевые слова: возобновляемая энергетика, ветроэнергетические установки, ветроколесо, ветроротор, электрогенератор, мощность ветроустановкиThe article describes the vertical axis wind turbine, features of its design, power calculation procedure.
The main technical parameters and connection diagram are represented.
Keywords: renewable energy, wind turbine, wind wheel, wind rotor, electric alternator, wind turbine power.
Интерес человечества к использованию возобновляемой, или «зеленой» энергии в последнее время стал проявляться все более заметно. Разрабатываются новые установки, использующие принципы преобразования природной энергии в тепловую, электрическую и т.д., которые не наносят ущерб окружающей среде.
На сегодняшний день имеется огромное многообразие машин, механизмов и установок, которые «ловят» ветер и превращают его в полезную электроэнергию. Самые распространенные из них — ветротурбины с горизонтальной осью вращения (рис. 1). Однако у этих машин есть один существенный недостаток — они долго «думают», прежде чем развернуть свои лопасти «на ветер», направление которого может измениться каждую секунду.
В зависимости от направления ветра меняется площадь, ометаемая ветроколесом, которая является основой для расчета выходной мощности ветроэнергетической установки [1]:
Рвэу = 0,4В2у3Е,(щмехцген, Вт (1)
где О — диаметр ветроколеса, м; V — скорость ветра, м/с; £, — коэффициент использования ветровой
энергии; р — 0,125 кг с2/м4 — плотность воздуха, ; г\мех -К.П.Д. редуктора; цгс„ — к.п.д генератора.
Обычно в технических характеристиках установок с горизонтальной осью площадь, ометаемая ветроколесом, принимается равной площади, охватываемой лопастями ветроустановки. Однако из рис. 2 видно, что ометаемая площадь зависит от направления ветра по отношению к оси ротора и в некоторые моменты может быть значительно меньше площади ветроколеса. Следовательно, мощность, вырабатываемая ветроустановкой, также будет непостоянной.
Рис. 1. ВЭУ с горизонтальной осью вращения
Ометаемая площади ротора при различных углах направления ветра по отношению к оси ротора
Рис. 2. Площадь, ометаемая ветроколесом
Это не относится к установкам с вертикальной осью вращения, хотя и они имеют свои преимущества и недостатки.
На рис. 3 показана схема работы установки с вертикальной осью вращения, разработанной в ООО «ГРЦ-Вертикаль» [2].
При наличии ветра ветроротор, состоящий из лопастей, закрепленных между кольцами, вращается и приводит в движение генератор, который с помощью электронного регулятора вырабатывает постоянный электрический ток с напряжением 48 В. Далее постоянный ток с помощью инвертора преобразуется в переменный ток с напряжением 220 В и поступает непосредственно потребителю. Аккумуляторные батареи включены параллельно с кабелем выхода генератора и подпитывают инвертор в случае отсутствия ветра. Выход инвертора подключается к клеммам, от которых должна идти внутренняя разводка по помещению потребителя.
ВЭУ стартует (самораскручивается) при по-
рывах ветра 3,5 м/с (в это время анемометр может показать более низкую скорость ветра). Выработка энергии начинается при скорости ветра 4 м/с.
ООО «ГРЦ-Вертикаль» разрабатывает ветроэнергетические установки (ВЭУ) с 1991 года на базе ФГУП «Государственного Ракетного Центра» (КБ им. Академика В.П.Макеева), г. Миасс Челябинской области и ФГУП «Кумертауского Авиационного Предприятия», г. Кумертау. За это время были исследованы различные конструкции ВЭУ.
С 2004 года разработки ООО «ГРЦ-Вертикаль» в области ветроэнергетики, создания ветро-водородных комплексов, установок по очистке воды и многое другое финансируются Национальной Лабораторией Беркли (США) под патронажем Департамента Энергетики США, Международных фондов, Правительства РФ и Российского Ракетно-Космического Агентства.
В результате совместной работы российских и американских ученых была предложена оптималь-
Регупятор
Рис. 3. Схема работы ветроустановки конструкции ООО «ГРЦ-Вертикаль»
Электроэнергетика
ная форма лопасти по соотношению хорды и ширины лопасти, которая запатентована в России и США [3,4].
Скорость вращения ВЭУ по достижении 180 оборотов в секунду при дальнейшем усилении ветра стабилизируется за счет аэродинамических тормозов (рис. 4). Благодаря этому ВЭУ не идет «вразнос».
■ліШк
Рис. 4. Аэродинамические тормоза
Для работы в условиях низких температур, например в районах Крайнего Севера, лопасти ВЭУ комплектуются специальной углепластиковой пленкой, предотвращающей обледенение поверхности лопастей.
Оригинальной научно-технической разработкой является запатентованный ветроротор (ветро-колесо) ветроэнергетической установки. К его достоинствам можно отнести самораскрутку при скорости ветра 3,5 м/с, плавную работу за счет смещения верхних лопастей относительно нижних
на 60°, оптимальный угол атаки лопастей. Одним из основных достоинств ротора считается то, что данная конструкция «ловит» порывы ветра. Т.е. при замерах анемометра скорость ветра может составить 3 м/с, а ротор ВЭУ будет крутиться как при скорости 6 м/с. Оригинальная форма ротора в совокупности с оптимальным профилем лопастей дают КПД до 43 % при любом направлении ветра.
К уникальным разработкам можно отнести две принципиально новые конструкции генераторов:
1. С аксиальным зазором, разработанную совместно с Empire Magnetics, Inc. [5, 6].
2. С комбинированным возбуждением, где стабилизация напряжения на клеммах генератора при изменении нагрузки и частоты вращения осуществляется с помощью изменения тока возбуждения генератора [7].
Ступица содержит специально сконструированную систему подшипников, позволяющую предельно уменьшить потери от момента сопротивления.
В качестве аккумуляторов для ВЭУ производства ООО «ГРЦ-Вертикаль» используются обычные автомобильные аккумуляторы (12 В). Инвертор также может использоваться стандартный или специального исполнения.
В виде инвертора может быть использован практически любой прибор, преобразующий постоянный ток с напряжением 48 В в переменный ток с напряжением 220 В. Схема подключения ветроустановки показана на рис. 5.
Рис. 5. Схема подключения ВЭУ мощностью 3 кВт: ВЭУ — ветроэнергетическая установка; САП — система автоматического пуска дизель-генератора;
ВП — блок питания (преобразователь напряжения ~220 В +48 В)
Техническая характеристика ВЭУ мощностью 3 кВт
Мощность генератора
номинальная 3 кВт
Выходное напряжение генератора
постоянного тока 48 В
Рабочий диапазон скоростей ветра 4…30 м/с
Номинальная скорость ветра 10,4 м/с
Диаметр ротора 3,4 м
Высота ротора 4,2 м
Число лопастей (стеклопластик) 6 шт.
Частота вращения ротора 60… 180 об/мин
Высота мачты 8, 12, 16
или 20 м
Расчетная скорость буревого
ветра до 60 м/с
Диапазон температур эксплуата- -50…+50 °С
ции
Срок службы силовых узлов 20 лет
Срок между капитальными
ремонтами 5 лет
Масса ВЭУ 620 кг
Мощность, вырабатываемая такой ветроуста-новкой, определяется [2]:
РВЭУ = Р.АмеЯга, Л «и » Вт> (2)
т-у2
где Ре =—-— — мощность, получаемая от ветра
за 1 с, Вт; т=уврв — масса воздуха, проходящая через ометаемую площадь за 1с, м3;
р = 0,125 кг-с2/м4 — плотность воздуха; V — скорость ветра, м/с; г)жх — к.п.д. ветроустановки; У)ген — к.п.д. генератора; г/инв — к.п.д. инвертора.
Для 3-киловаттной ВЭУ при размере ометаемой площади 24 м2 и номинальной скорости ветра 10,4 м/с реальный выход электрической мощности ветроустановки составит 3305 Вт.
Таким образом, непрерывно работающая вет-роустановка может питать все бытовые приборы, подключенные в коттедже, офисе (освещение, телевизор, холодильник, сигнализацию, и т.д.) заряжать аккумуляторы, которые можно использовать во время пиковых нагрузок, например, утром и вечером, когда мощности ветроэнергетической установки может быть недостаточно, тем более, при отсутствии ветра.
Литература
1. Безруких П.П. Использование энергии ветра. Техника, экономика, экология. — Колос, 2008. — 196 с.
2. www.src-vertical.com
3. Патент Ns 2244996 (Российская Федерация). Генератор переменного тока / С. А. Ганджа, Е.В. Соломин, А.Д. Шауфлер // Бюл. изобр. — 2005. -№ 2.
4. Патент № PCT/US2006/019326
(W02006/125118) (Соединенные Штаты Америки) Ветротурбины с вертикальной осью вращения /Vertical axis wind turbines /Dahlbacka Glenn (USA), Halstead Richard (USA), Krivcov, Vladimir (RU), Krivospitsky Vladimir (RU), Maksimov Vasili (RUy/Бюл. изобр. -F03B 13/00 (2006.01).
5. www.wind-sail.com
6. www. empiremagnetics. com
7. www.nii-uralmet.narod.ru/comb-rus/index.htm
Поступила в редакцию 10.01.2008 г.
Кирпичникова Ирина Михайловна в 1979 году окончила Челябинский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (ныне Челябинский государственный агроинженерный университет), в 2001 году защитила докторскую диссертацию, профессор. С 2007 года работает заведующей кафедрой электротехники Южно-Уральского государственного университета. Научные интересы — электронно-ионная технология, использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Kirpichnikova Irina Mikhajlovna in 1979 has ended the Chelyabinsk institute of mechanization and electrification of an agriculture, in 2001 has protected the thesis for a doctor’s degree, the professor. Since 2007 works as managing faculty electrical engineers of the South-Ural state university. Scientific interests: electro-ionic technology, use of nonconventional renewed energy sources.
Соломин Евгений Викторович, генеральный директор ООО «ГРЦ «Вертикаль», в 1990 году окончил Будапештский технический университет, Венгрия, по специальности «Робототехника» Область научных интересов — ветроэнергетика.
Solomin Evgenie Viktorovich, the general director of Open Company “GRC- Vertical”, in 1990 has ended the Budapest technical university, Hungary, on a speciality “A robotics”. Area of scientific interests — windenergie.
Вертикальные ветрогенераторы для загородного дома
Использование энергии ветра при помощи ветрогенераторов с вертикальной осью вращения является прекрасным способом обеспечения электроэнергией загородных и сельских домов, дачных и садовых домиков, фермерских хозяйств, не имеющих подключения к централизованным сетям. Таким способом также можно электрифицировать объекты, имеющие нестабильное по напряжению и частоте, или часто отключаемое электричество.
Ветрогенераторы, за счёт вращения лопастей, преобразуют энергию ветра в электрический ток. C увеличением скорости ветра, увеличивается и выработка электроэнергии. Как правило, ветряные установки производят большее количество электроэнергии в зимнее время. Потому они могут прекрасно дополнять собой солнечные батареи в те месяцы, когда коротка продолжительность светового дня. Ветряные генераторы могут быть легко интегрированы в системы солнечного электроснабжения, или использоваться как единственный источник энергии. Это хороший способ получения электричества, при наличии достаточной скорости ветра.
Вертикальные ветряные генераторы обладают великолепными характеристиками и по ряду параметров выгодно отличаются от горизонтальных. Они способны вырабатывать энергию при слабом и ураганном ветрах, чрезвычайно живучи, не боятся обильных снегопадов и ледяных дождей, снабжены минимумом электроники. Характеризуются низким уровнем шума в процессе работы.
Ветрогенераторы российского производства обладают большим сроком службы (не менее 15 лет), и не требуют обслуживания в течение первых трёх лет эксплуатации. По началу рекомендуется лишь периодический профилактический осмотр.
Зарядовая мощность отдельно стоящих ветроустановок составляет от 500 Вт до 5 кВт, при ветре 10 м/сек. Накопление энергии происходит в аккумуляторной батарее (АКБ). При помощи использования инвертора, являющегося составной частью системы и подключенного к АКБ, пользователь имеет возможность обеспечить качественным электропитанием разнообразные бытовые приборы, в том числе освещение, в течение расчётного времени.
При необходимости, можно увеличить мощность и ежедневную стабильность вырабатывания электроэнергии, установив дополнительно солнечные батареи. На самом деле, мы всегда рекомендуем сочетать ветрогенераторы с солнечными батареями, даже если вам кажется, что в вашей округе дуют относительно сильные и стабильные ветра. Наиболее ощутимы преимущества солнечных батарей в районах, где ветра достаточной силы могут отсутствовать по многу дней. Это может привести к полному разряду системы аккумуляторных батарей за эти несколько дней и оставить вас без электричества. В то же время, светлое время суток наступает неизбежно, а это означает и неизбежное начало работы установленных солнечных ФЭ модулей!
Максимальная мощность одновременно подключаемых приборов определяется мощностью инвертора напряжения. При достаточном количестве получаемой ежедневно электроэнергии от ветрогенератора (или ветро-солнечной системы), такие приборы как холодильник, охранная сигнализация или видеокамеры, могут эксплуатироваться в круглосуточном режиме.
При грамотном использовании электропотребителей, точном и сбалансированном подборе компонентов системы электроснабжения, можно полностью обеспечить потребности загородного или деревенского дома, фермерского хозяйства или небольшого производства.
Ветрогенераторы в нашем каталоге:
| Наименование | Мощность (Вт) | Номинальное напряжение АКБ (В) | Начало заряда АКБ при скорости ветра (м/с) | Цена, руб |
|---|---|---|---|---|
| ОМ-500-12 | 500 | 12 | 1,5 | 90 000 |
| ОМ-1000-12 | 1000 | 12 | 1,5 | 109 500 |
| ОМ-1500-12 | 1500 | 12 | 1,7 | 127 700 |
| ОМ-2000-24 | 2000 | 24 | 2 | 159 000 |
| ОМ-3000-24 | 3000 | 24 | 2,2 | 249 000 |
| ОМ-5000-24 | 5000 | 24 | 2,5 | 298 500 |
Ветрогенераторы делают жизнь немцев невыносимой (репортаж из Германии)
О борьбе жителей сельской Англии с промышленными ветрогенераторами
преимущества, разработки и отличия от вертикальных ветряных генераторов
Ветроэнергетика за последнее время значительно усилила свои позиции среди прочих направлений отрасли. Ее доля в общем количестве выработанной энергии постоянно возрастает, уже есть целые государства, использующие ветроэнергетические установки как базовые устройства для производства электричества.
Нынешние ветроэнергетические станции пока не в состоянии тягаться с гидроэлектростанциями, но для большинства стран, активно развивающих ветроэнергетику, такой способ получения энергии является единственным. Поэтому перспективы у этого направления вполне обнадеживающие. Мало того, даже в энергоизбыточных странах, список которых возглавляет Россия, интерес к ветроэнергетике возрастает с каждым годом.
Исследования и разработки
Проблемы с энергообеспечением, особенно актуальные для стран с ровным рельефом и отсутствием возможности построить ГЭС, требуют иных способов решения.
Использование дизельных или бензиновых электростанций невыгодно из-за постоянного удорожания углеводородов и значительного ущерба, который наносится окружающей природе при использовании этого способа производства энергии. При этом, ветроэнергетика использует абсолютно бесплатную и неиссякаемую энергию, не нанося вреда окружающей среде и не изменяя рельеф поверхности, как это приходится делать при создании ГЭС.
Перемещение воздушных потоков имеет высокий энергетический потенциал и должно использоваться для производства электротока. В регионах, не имеющих возможностей для применения других способов, производятся интенсивные исследования и разработки в этой области, уже имеющие свои результаты в виде крупных ветроэнергетических станций (ВЭС). Они состоят из отдельных ветрогенераторов, обладающих большой мощностью и объединенных в единую энергосистему.
Размеры каждого агрегата впечатляют — они имеют более 100 м высоты и размах лопастей от 120 м. Мощность достигает 9 МВт, с каждым годом создаются все более крупные модели. Для прибрежных стран такой вариант является выгодным, а нередко — единственным.
Кроме того, широко ведутся разработки небольших ветрогенераторов, дающих возможность обеспечивать электроэнергией частный дом, усадьбу или отдельную группу потребителей. Использование такого комплекта позволяет самостоятельно обеспечивать свои потребности, не зависеть от поставщиков энергии, а зачастую еще и немного заработать на этом, поставляя излишки энергии в сеть.
Виды ветрогенераторов
Из ныне существующих конструкций ветрогенераторов принято выделять две основные группы:
Соответственно, ось вращения установок первой группы расположена вертикально, а у второй группы она находится в горизонтальной плоскости. Этот принцип разделения отражает наиболее существенную разницу между типами ветряков, имеющими своеобразные признаки, особенности и условия эксплуатации.
По уровню эффективности однозначно лидируют горизонтальные устройства, так как они получают полную энергию потока, приходящуюся на площадь лопастей. Ограничение их количества — вынужденная мера, вызванная необходимостью снижать фронтальную нагрузку на мачту. При больших размерах ветряка давление на крыльчатку, оборудованную большим числом лопастей, превысит допустимые пределы и мачта попросту переломится. Поэтому на крупных промышленных турбинах устанавливают лишь по 3 лопасти.
Кроме того, для горизонтальных устройств является критичным параметром возможность наведения на ветер. Поскольку над земной поверхностью направление воздушных потоков отличается нестабильностью, то ось вращения должна иметь возможность постоянной быстрой корректировки. При этом, для больших устройств эта возможность сильно ограничена, так как они устанавливаются в местах с преобладанием одного направления ветра.
Вертикальные роторы не нуждаются в наведении, поскольку для них направление ветра не имеет значения. При этом, существуют конструкции, нуждающиеся в этой функции. У таких устройств имеется защитный кожух, отсекающий поток, воздействующий на обратные стороны лопастей и создающий противодействующее усилие. Наведение производится путем установки хвостового стабилизатора, представляющего собой вертикальную пластину, расположенную ребром к потоку. Изменение ветра тут же вызывает поворот хвоста, автоматически устанавливающий кожух в нужное положение.
Вертикальные конструкции обладают большим числом видов ротора. Они используются для относительно мелких ВЭУ, способных питать ограниченное количество потребителей.
Большинство самодельных ветрогенераторов имеют вертикальную конструкцию, так как они могут быть установлены на небольшом возвышении и допускают более удобное обслуживание и ремонт. Кроме того, расходы на создание таких устройств намного ниже.
Конструктивные схемы
Все конструкции ветряков созданы на основе нескольких базовых схем. Они основаны на специфике расположения оси вращения или на использовании дополнительных элементов, усиливающих эффективность приема ветровой энергии. Примечательно, что различия существуют только в механической части комплекса, вся электроника совершенно одинакова и соответствует только мощности генератора независимо от типа конструкции турбины.
Для горизонтальных конструкций относительно небольших размеров характерно использование диффузоров — своеобразных воронок, конусообразных приспособлений, улавливающих поток, уплотняющих его и направляющих на лопасти. В результате достигается большая скорость вращения, возрастает выработка энергии при неизменных скоростях ветра. Эта схема используется при эксплуатации летающих ВЭУ (генератор-крыло). Они имеют обширный надувной диффузор, дающий большую площадь захвата потока, уплотняющегося в несколько раз.
Вертикальные конструкции имеют разные варианты конфигурации лопастей. Так, широко известны:
Сколько всего имеется разработок на сегодняшний день подсчитать сложно, так как разработкой занимаются как профессиональные, так и самодеятельные конструкторы. Причем, наиболее удачные результаты достигаются, как правило, именно независимыми изобретателями. Основной упор делается на достижение максимальной производительности и чувствительности ротора, стабильности вращения и устойчивости к перегрузкам.
Ветрогенераторы: вертикальные против горизонтальных
Споры о превосходстве горизонтальных конструкций над вертикальными (или наоборот) ведутся с первых дней использования ВЭУ для выработки электроэнергии. Аргументами сторон являются, в основном, вопросы эксплуатации, эффективности и мощности устройств. При этом, однозначного определения наилучшего варианта так и не найдено.
Каждое устройство имеет свои достоинства и недостатки, оценить которые можно только при достаточно плотном использовании. На практике каждый владелец ветряка имеет опыт работы с каким-либо одним типом, поэтому необходимой корректности мнений достичь не удается.
Горизонтальные конструкции обладают более высокой эффективностью. Это утверждение не совсем соответствует действительности, потому что оно имеет расчетное происхождение, где рассматривались старые модели роторов (конструкция Савониуса), тестировавшиеся в определенных условиях.
С развитием ветроэнергетики и появлением множества новых, более удачных конструкций, соотношение КПД горизонтальных и вертикальных устройств практически сравнялось. Кроме того, оба вида понемногу поделили между собой нишу — горизонтальные установки преимущественно используются для выработки энергии в промышленных объемах, тогда как вертикальные ВЭУ чаще всего работают на небольших участках и производят небольшое количество электротока.
На сегодняшний день создалась ситуация, при которой вертикальные устройства чаще используются для самостоятельного изготовления, обеспечивают энергией отдельные дома или участки.
Горизонтальные конструкции преимущественно служат для промышленного производства энергии в региональных масштабах.
Конструкции с вертикальной осью вращения
Вертикальные устройства имеют важное преимущество: они не нуждаются в установке на ветер. Это значительно упрощает конструкцию, снижает количество подвижных узлов, что повышает надежность ветряка и продлевает срок службы. Кроме того, для этих устройств не существенно, стабильно направление потока, или нет, поэтому они не нуждаются в установке на высокие опорные конструкции.
Единственная цель разработок, активно ведущихся в области усовершенствования вертикальных ветряков, состоит в увеличении чувствительности конструкции к слабым и неустойчивым ветрам.
Усилие, приложенное потоком ветра к лопастям вертикальных ветряков, имеет более удачный вектор приложения, но в значительной степени компенсируется противодействующим усилием, приложенным к обратным сторонам лопастей.
Установка отсекающих колпаков снижает противодействие, но значительно усиливает фронтальную ветровую нагрузку на конструкцию. Эти причины ограничивают размеры установок и, соответственно, мощность. При этом, для небольших потребителей в пределах частного дома или усадьбы, вертикальные устройства являются оптимальным выбором.
Ветряные генераторы с горизонтальной осью вращения
Горизонтальные ветряки имеют меньше вариантов конструкции, так как принято считать, что они устроены достаточно удачно. При этом, большинство из таких устройств нуждается в наличии двух точек вращения — крыльчатка и узел поворота для установки на ветер. Это усложняет конструкцию, выдвигает к ней повышенные требования по прочности, устойчивости к нагрузкам. Ветряки нуждаются в периодическом обслуживании, что непросто, учитывая высоту подъема над землей.
Конструкция
Промышленные образцы, вырабатывающие большие объемы энергии, в большинстве имеют одинаковую конструкцию, состоящую из высокой мачты, крыльчатки, оборудованной тремя продолговатыми лопастями и комплекта сопутствующей аппаратуры. Установки меньшей мощности устроены подобным образом, но, в дополнение к перечисленному, имеют узел поворота вокруг своей оси и хвостовой стабилизатор, позволяющий автоматически ориентировать крыльчатку по ветру.
Кроме перечисленных узлов горизонтальные ветряки часто оборудуются устройствами защиты от сильного ветра. Шквальные порывы создают скачки напряжения, выводят из строя крыльчатку. Для экстренного торможения используются устройства, отводящие ось крыльчатки от направления ветра при резком увеличении скорости ветра.
Крупные промышленные установки, работающие в составе ВЭС и снабжающие энергией большое количество потребителей, имеют весьма крупные размеры и массу. Это служит аргументом для противников ветроэнергетики, утверждающих, что ВЭУ создают сильную вибрацию, шумят, мерцающая тень приводит к различным психическим расстройствам. В целом, эти особенности имеются, но их наличие не способно вызвать сколько-нибудь серьезные последствия для людей или животных.
Особенности эксплуатации
Работа горизонтальных ветрогенераторов совершается только при наличии ветра, способного заставить лопасти крутиться с определенной скоростью. Когда параметры потока не достигают минимальных значений, устройство бездействует, а питание потребителей производится от аккумуляторных батарей, которые отдают накопленный заряд через инвертор.
Обслуживание и ремонт установок является необходимостью, периодически возникающей при появлении признаков затруднения вращения, падения производительности или иных видимых неполадок. Для обеспечения возможности качественного и быстрого производства работ надо заранее продумать технику демонтажа мачты и опускания механизма вниз на удобную ремонтную площадку.
В обязательном порядке надо оборудовать устройство молниеотводом и создать качественный заземляющий контур. Эти позиции необходимо учитывать в первую очередь тем, кто самостоятельно изготавливает свои ветрогенераторы, чтобы защитить конструкцию и потребители от поражения молнией.
Рекомендуемые товары
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ С ВЕРТИКАЛЬНОЙ ОСЬЮ ВРАЩЕНИЯ
Системи керування 85
References
1. Krivcov, V. S., Olejnik A. M., Jakovlev A. I.
Neischerpaemaja jenergetika. Kn. 1. Vetrogeneratory.
[Inexhaustible energy. Book 1. Wind turbines]. Har’kov,
Nac. ajerokosm. un-t «Har’k. aviac. in-t». Publ. Sevas-
topol’, Sevast. nac. politehn. un-t. Publ. 2003. 400 p.
2. Zubova, N. V. Osnovnye principy upravlenija
VJeU. [Basic principles of control of wind turbines].
Nauchnyj vestnik NGTU, Novosibirsk, izd-vo NGTU,
no. 3 (48), 2012, pp. 153-161.
3. Hu, W. Advanced Wind Turbine Technologies.
Springer International Publishing, 2018, 351 p.
4. Anikin, A. S., Martyanov, A. S., Martyanov,
N. A. Comparative analysis of wind turbine control
strategies. Procedia Engineering : International Con-
ference on Industrial Engineering ICIE-2015, 2015,
vol. 129, pp. 607-614.
5. Luo, N., Vidal, Y., Acho, L. Wind Turbine
Control and Monitoring. Springer, Switzerland, 2014,
466 p.
6. Rodrigues, R. M., Piper, J. D., Bhattacharya, S.
S., Wilson, S. A., Birzer, C. H. Development of
Guidence for the Construction of Wind Turbines Using
Serap Materials. Procedia Engineering, vol. 159, 2016,
pp. 292-299.
7. Lio, W. H. A. Blade-Pitch Control for Wind
Turbine Load Reduction. Springer, Cham, 2018, 174 p.
8. Kulik, A. S., Subota, A. M., Hayevaya, D. O.,
Ponomarenko, T. I., Savchenko, T. H. Vitroturbina z
mekhanizmom oriyentatsiyi lopatey do nabihayuchoho
potoku. [Wind turbine with the mechanism of the
orientation of the blades to the incoming flow]. Patent
UA for utility model no. 56587, MPK F03D 3/06, F03D
7/06.
9. Gorelov, D. N. Ajerodinamika vetrokoles s
vertikal’noj os’ju vrashhenija. [Aerodynamics of wind
turbines with a vertical axis of rotation]. Omskij filial
instituta matematiki im. S. L. Soboleva SO RAN,
Omsk, Poligraficheskij centr KAN, 2012. 68 p.
10. Kirpichnikova, I. M., Solomin, E. V. Vetro-
jenergeticheskaja ustanovka s vertikal’noj os’ju
vrashhenija. [Wind power plant with a vertical axis of
rotation]. Vestnik Juzhno-Ural’skogo Gosudarstvennogo
universiteta, Serija «Jenergetika», 2008, no. 26, vol. 10,
pp. 32-35.
11. Kashmanov, I. A. Sposob upravlenija lopa-
stjami rotora vetrjaka s vertikal’noj os’ju vrashhenija.
[The method for controlling the rotor blades of a
windmill with a vertical axis of rotation]. Patent RF
no. 2525998. Cl. F03D/06.
12. Hau, E. Wind Turbines: Fundamentals, Tech-
nologies, Application, Economics. Springer, Berlin,
Heidelberg, 2006. 783 p.
13. Bianchi, F. D., de Battista, H., Mantz, R. J.
Wind Turbine Control Systems. Principles, Modelling
and Gain Scheduling Design. Springer, London, 2007.
208 p.
Поступила в редакцию 12.01.2018, рассмотрена на редколлегии 14.02.2018
ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВІТРОЕНЕРГЕТИЧНОЇ УСТАНОВКИ
З ВЕРТИКАЛЬНОЮ ВІССЮ ОБЕРТАННЯ
А. М. Субота, В. Г. Джулгаков
Розглянуто питання, які пов’язано з підвищенням ефективності функціонування вітроенергетичної
установки з вертикальною віссю обертання. Представлено огляд варіантів конструктивного виконання віт-
роенергетичних установок вказаного типу. Запропоновано принцип підвищення ефективності вітроенерге-
тичної установки за рахунок синхронного управління положенням лопатей залежно від напряму і швидкості
вітрового потоку. Реалізація вказаного принципу детально розглянута для чотирьох лопатної вітротурбіни.
Сформовано функціональну схему системи управління орієнтацією лопатей. Здійснено комп’ютерне моде-
лювання функціонування каналу системи управління для режиму начальної установки лопатей при зміні
напрямку вітру с регуляторами різних типів. Сформовано систему правил для налаштування нечіткого регу-
лятора. Виконано порівняння показників якості системи управління з пропорційно-диференціальним і нечі-
тким регулятором.
Ключові слова: вітроенергетична установка з вертикальною віссю обертання, орієнтація лопаті, вітро-
вий поток, початкова установка лопаті, нечіткий регулятор.
INCREASE OF EFFICIENCY OF WIND POWER PLANT
WITH VERTICAL AXIS OF ROTATION
A. M. Subota, V. G. Dzhulgakov
The questions connected with increase of efficiency of functioning of a wind power plant with a vertical axis
of rotation are considered. Such plants convert the energy of the wind flow into rotational energy of the generator
shaft, pump or other actuators. An overview of the design options for wind turbines of this type is presented. For
vertically-axial wind power plants, in comparison with horizontally-propeller ones, it is possible to increase their
efficiency by providing insensitivity to wind direction change. This is possible provided that the angular position of
как работает, достоинства и недостатки
Как работает вертикальный ветрогенератор
Данные установки преобразуют кинетическую энергию ветра в механическую энергию вращения приводного вала. Вертикальная ось ветровой турбины соединена с ротором, работающим также в вертикальном положении. Ротор и генератор расположены в нижней части башни.
Лопасти ветряка присоединены прямо к центральной оси, соединенной с ротором генератора. Генератор располагается в нижней части установки, иногда даже на уровне земли.
Таким образом, при вращении лопастей винта ротор генератора также приходит в движение и, следовательно, появляется возможность выработки электроэнергии.
Видео: работа генератора с вертикальной осью вращения
Рассматриваемые ветряки не нуждаются в дополнительном оборудовании, которое определяет направление ветра и корректирует положение ветряка в соответствие с ним. На ветрогенераторах с горизонтальной осью вращения в качестве подобного устройства выступает специальная хвостовая лопасть.
Кроме того, эти турбины более устойчивы к турбулентности, чем стандартные горизонтальные.
Перечислим некоторые из доступных на сегодняшний день моделей таких генераторов: Giromill, ротор Дарье, ветряные мельницы с вращающимися парусами и турбины Савониуса.
Преимущества
Основным достоинством является ортогональное расположение оси ротора, позволяющее размещать устройство вблизи поверхности земли. Соответственно, ветрогенератор и передаточный механизм расположены на этой же высоте и не требуют сооружения высоких конструкций для их установки.
Кроме того, турбина не обязательно должна быть ориентирована по направлению ветра, что делает её очень простой в эксплуатации.
Применение вертикальных ветрогенераторов даёт высокий эффект при их установке на верхней части холмов, столовых гор, по линии горных хребтов и в других местах, где вблизи поверхности земли присутствуют турбулентные потоки воздуха.
В местах, где запрещено размещение высотных ветровых турбин, могут быть расположены вертикальные. При этом, вы сэкономите денежные средства и время, которые потребовались бы вам для получения соответствующих согласований для разработки и монтажа высоких башенных установок ветряков с горизонтальным расположением вала.
Также, неоспоримым преимуществом устройств с вертикальным валом является их возможность поворота в любом направлении вместе с ветром.
Недостатки
Одним из недостатков вертикальных турбин является их низкая эффективность в зоне постоянных ветров. Это происходит из-за высокой силы сопротивления, действующей с противоположной стороны, при попытке захватить движущийся поток воздуха.
Поэтому, на равнинах и других местах с преобладающими постоянными ветровыми потоками наилучшим вариантом являются горизонтальные ветроустановки. Они позволяют наиболее полно использовать энергию ветра в данных районах.
При наличии же турбулентных потоков у поверхности земли рекомендуется применять ортогональные ветроустановки.
- Другим минусом вертикальных ветроустановок является возможность разрушения лопастей винта. Это вызвано тем, что при вращении вокруг главной оси, на них постоянно воздействуют центробежные силы. То есть, со временем, лопасти сгибаются, трескаются и разрушаются. При их поломке вся машина выходит из строя.
- Если разместить ветряк рядом со зданием, то он не будет работать, так как находится в мертвом воздушном пространстве.
Вывод
Вертикальные ветроустановки существуют в течение тысяч лет, но из-за плохой надежности и эффективности они не пользуются популярностью. Однако, их продолжают выпускать и по сей день.
Производители утверждают, что данные устройства могут уловить ветер любого направления, что, по сути, также верно и для горизонтальных турбин.
По сравнению с горизонтальными установками, рассматриваемые модели обладают меньшим коэффициентом полезного действия.
Целесообразность применения ветроэнергетических установок малой мощности с вертикальной осью вращения в Омском регионе
В статье рассматривается проблема рационального использования энергетических ресурсов Омского региона. Представлены виды ветроэнергетических установок с их достоинствами и недостатками. Описывается средняя скорость ветра в Омске. Сформулированы выводы о положительности применения ветроэнергетических установок малой мощности в Омском регионе.
Ключевые слова: ветроэнергетическая установка, средняя скорость ветра, энергия ветра, малая мощность, подъемная сила.
Ветроэнергетическая установка (ВУЭ) — совокупность взаимосвязанных установок и сооружений, применяется, чтобы трансформировать энергию ветра в другие виды энергии. Оборудования малой мощности используются для самостоятельного и дополнительного электроснабжения [1].
Существует достаточно видов ветроэнергетических установок (ВЭУ), но чаще всего их делят на два: с горизонтальной и вертикальной осью вращения [2].
Горизонтально-осевые (пропеллерные) ВЭУ считают наиболее распространёнными. Из них более развитыми являются двух- и трехполосные ветроколеса, это говорит о том, что скорость вращения увеличивается при меньшем количестве крыльев. Достоинство данных ветроустановок: условия обтекания крыльев воздушным потоком не меняются, регулярны при циркуляции лопасти, а измеряется лишь скоростью ветра. Кроме этого, у них довольно значительный показатель использования энергии ветра, их быстроходность возможна больше пяти [3].
Вертикально-осевые (роторные) ВЭУ: ротор Савониуса (1929), ротор Масгроува (1975), ротор Дарье(1931). Замедление прогресса данных ветрогенераторов обусловлено следующими причинами: все они появились позднее горизонтально-осевых ветроустановок; совсем недавно, предполагалось невыполнимым получение быстроходности выше единицы; нарушение периодичности крутящего момента; изменение частоты вращения ветротурбины в зависимости от скорости ветра; высокая стартовая скорость ветра (15м/с) [4].
Исходные данные, применимы лишь к тихоходным роторам, которые используют разные сопротивления крыльев, движущихся по ветру и против ветра. Это поспособствовало неверным теоретическим результатам — предельное число, показывающее, какая часть воздушного потока используется ветроколесом у вертикально-осевых ветроэнергетических установок меньше горизонтально-осевых пропеллерных. Это стало причиной того что, ветроэнергетические установки долгое время не разрабатывались [4].
Достоинства вертикальных ВЭУ: функционирование при низких скоростях и при любой ориентации ветра. Поэтому, необходимости в дополнительном оборудовании нет, т. е. их механизм более прост. Некоторые из вертикально-осевых ВЭУ тихоходны, поэтому к ним применимы простые электросхемы для съема энергии, среди которых и асинхронные генераторы. Но тихоходность сужает использование вертикальных ВЭУ, поэтому приходится использовать повышающие редукторы — мультипликаторы, у которых достаточно низкий КПД. Использовать данное устройство без мультипликаторов проблематично [5].
В теории обосновано, что коэффициент использования энергии ветра совершенного лопастного устройства горизонтальных пропеллерных и вертикально-осевых установок равен 0.593. К настоящему времени на горизонтальных пропеллерных ветроэнергетических установках этот коэффициент составляет 0.48. Изучение экспериментов показывают, что на российских вертикально-осевых установках достижение значений 0.4–0.45 возможно. Отсюда видно, что коэффициенты использования энергии ветра на приведенных ВЭУ схожи [6].
Вертикально-осевые ветроэнергетические установки продуктивнее при малой (до 10кВт) мощности [6].
Приведем пример наиболее совершенных моделей вертикально-осевых ветродвигателей.
Ротор Савониуса (рисунок 1). По типу, самой популярной конструкцией, является напорная установка. Момент вращения появляется при обтекании ротора Савониуса воздушным потоком, благодаря различному сопротивлению выпуклой и вогнутой частей ротора [7].
Рис.1. Ротор Савониуса
Преимущества данной ВЭУ: низкая степень звука, компактность, хорошо работает при незначительных ветрах (3–5 м/с.). Ротору с вертикальной осью вращения не нужно устройство ориентации на ветер, что способствует упрощению конструкции — лопастная система отличается своей простотой. К недостаткам конструкции можно отнести низкую частоту вращения, это со временем может привести к усталости металла, а в дальнейшем и к ее уничтожению. Кроме того, эта турбоустановка самая тихоходная, и, следовательно, обладает крайне низким коэффициентом использования энергии ветра — около 0,18–0,24 и КПД 17–18 %.
Ротор Дарье (рисунок 2). Ротор имеет вид совершенного ветроколеса, которое содержит в себе два и более аэродинамических крыла, зафиксированных на радиальных балках. Работает за счет влияния подъемной силы на любую из рабочих плоскостей [8].
Рис. 2. Ротор Дарье
Показатель подъемной силы возрастает, если увеличивается угол между направлением скорости ветра и плоскости лопасти. Предельный максимум силы можно увидеть, когда вектора этих скоростей ортогональны. Вектор мгновенной скорости лопасти периодически меняется в ходе циркуляции ротора, момент силы, вырабатываемый ротором, тоже изменчивый. Для образования подъемной силы, действующей на крылья, требуется постоянная работа лопастей, поэтому ротор Дарье имеет плохой самозапуск. Он становится исправнее, если использовать три и больше крыла, но все равно нужен первоначальный запуск ротора.
Ротор обладает большой быстроходностью, значит, и условно большим отношением потребляемой мощности к его массе.
Турбина, в основе которой ротор Дарье, не требует определенного направления, так как его работа не подчиняется ориентации потока. Ротор имеет высокий показатель быстроходности при невысокой скорости потока и высокий показатель применения энергии потока: участок поверхности, описываемый плоскостями ротора, довольно большой [9].
Минусы ротора: слабый автозапуск; низкая механическая устойчивость; отсутствует наглядная математическая модель, это затрудняет проектирование ротора; высокая шумность, образуемая при работе [9].
Сравнивая ВЭС видно, что вертикально-осевые ВЭУ детально проще и владеют еще множеством достоинств над горизонтально-осевыми ветросистемами. Но все-таки, компонент употребления мощности ветра и КПД у них немного ниже, это способствует возрастанию габаритов, а в некоторых обстоятельствах и к увеличению расхода материала. Однако при применении вертикально-осевых ветроустановок с автономной работой или в качестве дополнительных источников электроэнергии этот недостаток сглаживается. Это происходит, потому что в автономном или резервном вариантах, ветроэлектростанции работают на нагрузку через аккумулятор, который работает в буферном режиме [10].
На сегодняшний день, вопрос эффективной эксплуатации энергоресурсов является одним из наиболее важных для экономики России. Именно поэтому данная проблема не обошла стороной и Омский регион.
Для построения ВЭУ нужно учитывать достаточно много природных факторов [11]. Одним из таких факторов является рельеф. Омская область расположена на юге Западно-Сибирской равнины в среднем течении Иртыша. Отсюда следует, что местность относительно плоская, с преобладающими абсолютными отметками 100–140 м.
Учитывая то, в Сибирских регионах средне годовые скорости ветра редко переступают пределы 4.5–5 м/с, можно прийти к выводу, что для Омского региона больше всего подходят Ветроэнергетические установки малой мощности. Вместе с тем, ВЭУ с вертикальной осью вращения (на основе роторов Дарье, Савониуса и их модификаций) работают на меньших скоростях ветра (5 м/с), чем ветроустановки с горизонтальной осью (8 м/с). Главная задача этих конструкций — небольшая и непостоянная скорость вращения ротора, решением которой является, использование мультипликаторов, многополюсных генераторов и аккумуляторов энергии.
Основную часть года, с сентября по апрель, в Омске преимущественно ветер юго-западного направления, его периодичность 25–35 % за месяц. Летом чаще преобладает северно-западный ветер 20–23 % за месяц, менее северный 16–19 % и западный 15 %.
Таблица 1
Скорость ветра вОмске
Средняя скорость ветра м/с | ||
За отопительный период | За три наиболее холодных месяца | |
Омск | 5 | 4.9 |
Средняя скорость ветра (таблица 1) обладает очевидным годовым ходом. Во все времена года, помимо лета, отслеживаются пиковые средние месячные скорости ветра 4–5 м/с. Летом скорости ветра минимальные в году, менее 4 м/с.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что использование ветроэнергетических установок малой мощности с вертикальной осью вращения, вполне применимо к Омскому региону.
Литература:
- Wagner H.-J. Introduction to wind energy systems. Basics, technology and operation / H.-J. Wagner, JyotirmanyMathur. // Springer. — 2013.
- Introduction wind turbine technology // Green Energy and Technology. T.38. — 2011.
- Воронин С. М. Работа ветроустановки при изменении направления ветра / С. М. Воронин, Л. В. Бабина. // Альтернативная энергетика и экология. — 2010. — № 1. — С. 98–100.
- Бубенчиков А. А., Артамонова Е. Ю., Дайчман Р. А., Файфер Л. А., Катеров Ф. В., Бубенчикова Т. В. Применение ветроколес и генераторов для ветроэнергетических установок малой мощности // Международный научно-исследовательский журнал. — 2015. — № 5–2 (36). — С. 35–39.
- Морозов Д. А. Синтез ветроустановки малой мощности с вертикальной осью вращения / Д. А. Морозов. // Ижевск. — 2011.
- Вертикальный ветрогенератор, вертикальная ось вращения [Электронный ресурс] // ВЕТРОДВИГ.RUURL: http://vetrodvig.ru/vertikalnyj-vetrogenerator. (дата обращения 30.10.2016).
- Горелов Д. Н. Аэродинамика ветроколес с вертикальной осью вращения / Д. Н. Горелов.// Омск: Полиграфический центр КАН. — 2012. –68 с.
- Горелов Д. Н. Энергетические характеристики ротора Дарье / Д. Н. Горелов. // Теплофизикаиаэромеханика. Т.17. — 2010. –№ 3. — С. 325–333.
- Lee Y.-T. Numerical study of the aerodynamic performance of a 500w Darrieus-type vertical-axis wind turbine / Y.-T. Lee, H.-C. Lim. // Renewable Energy. T.83. — 2015.
- Морозов Д. А. Ветроэнергетическая установка малой мощности / Д. А. Морозов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2010. — № 6.
- Wiley J. Understanding wind power technology / J.Wiley. — 2014.
- Gasch R. Wind power plants. Fundamentals, design, construction and operation / R. Gasch, J. Twele. //Springer. — 2012.
- Wind in power. // European statistics. — 2014.
- Gash R. Wind Power Plants: Fundamentals, Desing, Counstruation and Operation. / R. Gash, J. Twele.
Основные термины (генерируются автоматически): скорость ветра, малая мощность, Омский регион, ротор, вертикальная ось вращения, подъемная сила, установка, воздушный поток, коэффициент использования энергии ветра, омск.
Типы ветровых электростанций (ВЭС) и их разница
На сегодняшний день отрасль альтернативной энергетики (АЭ) в мире довольно быстро развивается. Одним из направлений отрасли является ветроэнергетика, которая занимается преобразованием энергии ветра в электрическую энергию. Строительство ветровых установок, в которых хоть и низкий КПД (20-35%), считается перспективным направлением в мире.
Для потребителей, которые хотят генерировать энергию из чистых источников энергии, установка ветряка небольшой мощности может быть хорошим вариантом.
РАЗЛИЧАЮТ ДВА ОСНОВНЫХ ТИПА ВЕТРОУСТАНОВОК:С горизонтальной осью вращения – наиболее распространенный тип ветроустановок, в которых ведущий вал ротора расположен горизонтально относительно земли. Ветрогенератор такого типа имеет две-три лопасти, установленные на вершине установки. Количество лопастей в колесе мельницы варьируют от одной до пятидесяти. Ветряки с большим количеством лопастей обычно работают при низких скоростях вращения, в отличие от ветряков с малым количеством лопастей (две-три), которые должны вращаться с высокой скоростью, чтобы максимально «охватить» ветровые потоки, проходящие через площадь ротора. В теории, эффективность работы ветрогенератора зависит от количества лопастей ротора: чем больше, тем эффективнее. Но, как ни странно, ветроколеса с малым количеством лопастей имеют больший КПД, чем с большим, так как в таком случае лопасти препятствуют друг другу.
С вертикальной осью вращения, в которых ведущий вал ротора расположен вертикально. Электростанция с вертикальным ветрогенератором проще в изготовлении и монтаже, поскольку в этом случае не нужно ориентироваться на направление ветра, поэтому нагрузка на конструкцию гораздо меньше.
ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ВЕТРОВОЙ УСТАНОВКИ:- Лопасти
- Гондола
- Башня
- Главная рама
С каждым днем все больше бытовых потребителей переходят на использование возобновляемых источников энергии. Это дает им возможность обеспечить свое жилье независимым источником энергии, а также получить дополнительную прибыль при условии получения » зеленого» тарифа.
Об условиях получения «зеленого» тарифа с произведенной электроэнергии ВЭС подробнее можно ознакомиться: http://iknet.com.ua/ru/solar-wind-plants-for-households/
Ветряная турбина с вертикальной осью— обзор
Ветряная турбина с горизонтальной осью
Причину прекращения существования ветряной турбины с вертикальной осью можно найти в альтернативной машине с горизонтальной осью, которая оказалась гораздо более успешным и надежным средством сбора энергии энергия. Сегодня рабочая лошадка ветроэнергетики — это трехлопастная ветряная турбина с горизонтальной осью, установленная на трубчатой башне. Эта конструкция за последние 20 лет стала стандартом для крупных одиночных турбин и ветряных электростанций как на суше, так и на море.До этого, в период с конца 1970-х до начала двадцать первого века, было испытано большое количество вариантов. Сегодня, хотя базовый формат является стандартным, остаются вариации в трансмиссии и конструкции лопастей, а также новые подходы к конструкции башни, которые проходят испытания, чтобы упростить установку очень больших турбин на берегу.
Стандартная ветряная турбина общего назначения имеет ротор с тремя лопастями, поскольку это считается оптимальным компромиссом между балансом и стоимостью.В прошлом были построены роторы других типов, в том числе турбины с одной, двумя, тремя, четырьмя и, в редких случаях, даже с большим числом лопастей. Чем больше лопастей, тем более равномерно сбалансирован ротор. Кроме того, скорость вращения ротора для идеального захвата энергии будет тем ниже, чем больше у него лопастей, и это, в принципе, может позволить построить более крупные турбины, потому что центробежное напряжение ниже при более низкой скорости вращения. В определенных пределах большее количество лезвий может улавливать больше энергии. Обратной стороной роторов с множеством лопастей является их стоимость.Лопасти сложны и дороги, поэтому чем их меньше, тем дешевле ветряная турбина. Крайний, ротор с одной лопастью, был испытан, но не оказался практичным; Две лопасти могут улучшить балансировку ротора, но по-прежнему создают проблемы, отсюда и стандартизация трех лопастей.
Скорость вращения ротора определяется в первую очередь ветром, но должны быть средства управления этим. Управление скоростью вращения осуществляется либо пассивно, с использованием лопасти с аэродинамической формой, которая автоматически замедляется, если скорость ветра становится слишком высокой, либо с помощью подвижных элементов в лопастях, которые позволяют количеству получаемой от ветра энергии изменяться в зависимости от скорости. меняется.Ротор турбины также нуждается в тормозной системе, которую можно использовать для полной остановки его вращения, особенно в условиях очень сильного ветра.
Ротор установлен на одном конце приводного вала, другой конец которого соединен с генератором. Между этими двумя элементами может быть редуктор, чтобы согласовать скорость вращения ротора, которая обычно очень низкая по стандартам генераторов, со скоростью вращения, необходимой генератору для выработки переменного тока и напряжения на частоте сети.Основные компоненты привода ветряной турбины с горизонтальной осью показаны на Рисунке 3.3. Эта трансмиссия может иметь самые разные вариации, поскольку конструкторы пытаются создавать более эффективные и надежные ветряные машины. Они могут включать в себя полное исключение коробки передач, чтобы ротор приводил в действие генератор напрямую, и использование некоторого вида генератора с регулируемой скоростью, который может извлекать оптимальное количество энергии из ветра независимо от скорости ветра. В ранних ветряных турбинах в качестве генераторов использовались модифицированные электродвигатели.Они не могли поддерживать частоту сети сами по себе и требовали, чтобы сеть контролировала скорость, с которой они вращались. Однако современные турбины должны поддерживать частоту сети независимо от сети.
Приводная передача размещена в конструкции, называемой гондолой, которая находится наверху башни ветряной турбины. Гондола защищает компоненты от непогоды. Вся конструкция верхней части башни прикреплена к башне через подшипник, который позволяет гондоле вращаться вокруг вертикальной оси, так что ротор всегда обращен против ветра.Чтобы сохранять ориентацию при изменении направления ветра, гондола должна быть оборудована двигателем рыскания, который при необходимости перемещает конструкцию верхней части башни. Многие более ранние ветряные турбины использовали ротор, обращенный против ветра. Это позволяло ветру контролировать ориентацию, поэтому двигатель рыскания не требовался. Однако такая конструкция может увеличить как шум от турбины, так и усталостное напряжение, поэтому предпочтительна ориентация против ветра.
Башня, на которой монтируется гондола, сегодня обычно представляет собой трубчатую стальную конструкцию.Башня будет сужаться, так что основание будет иметь больший диаметр, чем вершина. Возможны и другие методы строительства, включая использование бетона, хотя он обычно оказывается дороже стали. В первые годы развития ветряных турбин решетчатые стальные башни также были обычным явлением, но сегодня они редко встречаются, за исключением машин малой мощности. Небольшие ветряные турбины могут также использовать другие башенные конструкции, такие как треноги, столбы и растяжки. Башня большой ветряной турбины общего пользования будет иметь лифт для доступа к гондоле, а в ее основании будет трансформатор для повышения напряжения мощности от машины до ее подачи в сеть, обычно через местную подстанцию.
Для турбины и башни требуется устойчивый фундамент, чтобы ветер не опрокидывал конструкцию. На суше это обычно массивная бетонная конструкция, часто со стальной арматурой, которая зависит от прочности почвы, в которой она находится, чтобы противостоять силам, оказываемым ветром на башню. Для морских сооружений часто используются более сложные фундаменты, в том числе моноблоки, которые вбиваются в морское дно, и многоногие опоры, такие как треноги.
Хотя одиночные ветряные турбины являются обычным явлением, наибольшее количество крупных ветряных турбин приходится на ветряные электростанции.Это группы ветряных турбин, расположенных так, что они могут эффективно улавливать энергию ветра на большой площади земли, не мешая друг другу. Для оптимизации компоновки ветряной электростанции необходимо проанализировать динамику ветрового потока через турбины и вокруг них. Большая ветряная электростанция будет действовать как единая электростанция, при этом энергия от каждой турбины будет собираться на местной подстанции перед подачей в сеть. Поскольку районы с хорошим ветровым режимом часто находятся далеко от центров спроса на электроэнергию и, следовательно, не расположены близко к магистральной сети энергосистемы, большие ветровые установки часто нуждаются в специальном подключении к сети, которое может поддерживать ее выработку.В регионах, где имеется большое количество ветряных электростанций из-за наличия особенно хороших ветровых ресурсов, коммунальные предприятия начинают создавать специальные ветровые сети для транспортировки этой энергии.
Размер ветряных турбин неуклонно растет с 1970-х годов. В таблице 3.1 показано, как увеличился средний размер устанавливаемых ветряных турбин между 1984 г., когда он составлял около 30 кВт, и 2009 г., когда средний размер установленных блоков составлял 1,6 МВт. В 2012 году средний размер турбины составлял 1,8 МВт. С тех пор средний размер стал еще больше, так что в середине второго десятилетия двадцать первого века он, вероятно, составлял от 2 до 3 МВт.В 2014 году средний размер морских ветряных турбин составлял 4 МВт. Средний размер будет еще больше, особенно на шельфе, поскольку будут представлены машины с индивидуальной генерирующей мощностью, приближающейся к 10 МВт. Эффект масштаба означает, что более крупные машины, как правило, дешевле, поэтому эта тенденция, вероятно, сохранится, если не будет достигнут некоторый естественный предел или размер не станет фактором.
Таблица 3.1. Средний размер ветряной турбины
| Год | Средний размер ветряной турбины (кВт) |
|---|---|
| 1984 | 30 |
| 1989 | 150 |
| 1993 | 226 |
| 1996 | 642 |
| 1998 | 750 |
| 2000 | 800 |
| 2002 | 1100 |
| 2005 | 1300 |
| 2009 | 1600 |
| 2012 | 1800 |
Источник: Composites World, Riso and Force Energy, Wind Systems, Navigant.
Ветровые турбины с вертикальной осью Преимущества и недостатки
Когда люди думают о ветряных турбинах, они часто представляют себе широкие роторы системы с горизонтальной осью. Ветряная турбина с вертикальной осью (VAWT) имеет лопасти, установленные на верхней части конструкции главного вала, а не спереди, как у ротора самолета. Генератор обычно размещается у основания башни.
Применяемые реже, чем их горизонтальные аналоги, VAWT более практичны в жилых районах. Две распространенные конструкции включают турбину, которая напоминает две половины барабана емкостью 55 галлонов, каждая из которых установлена на вращающемся элементе (ротор Савониуса), и меньшую модель, которая чем-то похожа на взбиватель для яиц (модель Дарье).Чаще используются модели Савониуса, которые пропускают воздух через ступицу для вращения генератора; турбина вращается за счет момента вращения, когда воздух проходит через лопасти.
Устройство имеет два или три ножа и может быть короче и ближе к земле, чем горизонтальная система. Giromill также имеет конструкцию взбивания яиц, но имеет два или три прямых лезвия на вертикальной оси. Спиральные лопасти составляют еще одну конструкцию, напоминающую структуру, подобную ДНК. В целом ветряные турбины с вертикальной осью имеют свои преимущества и недостатки по сравнению с альтернативными конфигурациями.
Преимущества VAWT
Эти турбины имеют меньше деталей, чем те, которые ориентируют поворотный механизм и лопасти по горизонтали. Это означает, что меньше компонентов изнашиваются и ломаются. Кроме того, опорная сила башни не должна быть такой большой, потому что редуктор и генератор находятся рядом с землей. Детали для управления тангажом и рысканием также не нужны.
Турбина также не должна быть направлена против ветра. В вертикальной системе воздух, текущий с любого направления или скорости, может вращать лопасти.Таким образом, систему можно использовать для выработки электроэнергии при порывистых ветрах и когда они дуют постоянно.
К другим преимуществам относятся:
Безопасность рабочих: обслуживающему персоналу не нужно подниматься так высоко, чтобы добраться до частей башни. Мало того, что VAWT короче. У них также есть основные компоненты, расположенные ближе к земле. Обслуживание генераторов, редукторов и большинства механических и электрических частей конструкции не требует масштабирования башни, поскольку они не установлены сверху.Подъемное оборудование и альпинистское снаряжение тоже не нужны.
Масштабируемость: конструкция может быть уменьшена до небольших размеров, даже таких, как та, которая уместится на городской крыше. В городах может не хватить места для всех технологий возобновляемой энергии, но вертикальные турбины представляют собой жизнеспособную альтернативу углеводородным источникам энергии.
Кроме того, VAWT:
Дешевле в производстве, чем турбины с горизонтальной осью.
Более простой в установке по сравнению с другими типами ветряных турбин.
Можно переносить из одного места в другое.
Оснащен ножами с малой скоростью вращения, что снижает риск для людей и птиц.
Работает в экстремальных погодных условиях, с переменным ветром и даже в горных условиях.
Допустимо там, где запрещены более высокие конструкции.
Работают тише, поэтому они не беспокоят людей в жилых районах.
Согласно Институту инженеров-механиков, ветровые турбины с вертикальной осью больше подходят для установки в более плотных массивах.Они в 10 раз короче горизонтальных моделей, их можно объединять в массивы, которые даже создают турбулентность от одной турбины к другой, что помогает увеличить поток вокруг них. Таким образом, ветер ускоряется вокруг каждого из них, увеличивая выработку энергии. Низкий центр тяжести также делает эти модели более устойчивыми для плавания в морских установках.
Основные преимущества перед горизонтальными турбинами
Вертикальная конструкция позволяет инженерам размещать турбины ближе друг к другу.Их группы не должны быть расположены далеко друг от друга, поэтому ветряная электростанция не должна занимать столько земли. Близость горизонтальных ветряных турбин друг к другу может создавать турбулентность и снижение скорости ветра, что влияет на мощность соседних агрегатов.
В отчете за 2017 год в журнале Journal of Renewable and Sustainable Energy , цитируемом Phys.org, отмечалось, что, хотя ветряные турбины с вертикальной осью производят меньше энергии на одну башню, они могут генерировать в 10 раз больше энергии по сравнению с сравнительная площадь земли при размещении массивами.
Недостатки VAWT
Не все лопасти создают крутящий момент одновременно, что ограничивает эффективность вертикальных систем по выработке энергии. Остальные лезвия просто проталкиваются. Кроме того, при вращении лезвия испытывают большее сопротивление. Хотя турбина может работать при порывах ветра, это не всегда так; низкий пусковой крутящий момент и проблемы с динамической стабильностью могут ограничивать функциональность в условиях, для которых турбина не была специально разработана.
Поскольку ветряные турбины расположены ниже земли, они не используют более высокие скорости ветра, которые часто встречаются на более высоких уровнях. Если установщики предпочитают возводить конструкцию на башне, их сложнее установить таким способом. Однако практичнее установить вертикальную систему на ровном основании, например на земле или на крыше здания.
Вибрация может быть проблемой и даже увеличивать шум, производимый турбиной. Воздушный поток на уровне земли может увеличить турбулентность, тем самым увеличивая вибрацию.Это может привести к износу подшипника. Иногда это может привести к большему объему обслуживания и, следовательно, к большим затратам, связанным с ним. В более ранних моделях лопасти были склонны к изгибу и растрескиванию, что приводило к выходу из строя турбины. Небольшие блоки на крышах зданий или других сооружений могут подвергаться толкающим силам, которые увеличивают поперечное напряжение, что требует постоянного обслуживания и использования более прочных и прочных материалов.
Вертикально или нет
Хотя они производят меньше энергии, чем горизонтальные турбины, ветровые турбины с вертикальной осью по-прежнему вырабатывают энергию и могут быть лучшим вариантом в зависимости от области применения.Они больше подходят для мест с ограниченным пространством и требуют меньшего количества проблем и рисков в обслуживании. Эта конструкция остается популярной, поскольку инженеры решают проблемы и находят применение в небольших установках, особенно в городских районах. Со временем у инженерных инноваций появится потенциал для повышения эффективности производства энергии VAWT и увеличения преимуществ, которые они могут предложить в различных приложениях.
Присоединяйтесь к революции чистой энергии! Узнайте о том, как ваш дом может получить выгоду от энергии ветра.
Ветровые турбины с вертикальной осью и ветровые турбины с горизонтальной осью
В ветряных турбинах в основном есть два типа турбин: ветряные турбины с вертикальной осью и ветровые турбины с горизонтальной осью. У них обоих есть свои преимущества и недостатки, и цель этой статьи — помочь вам выбрать правильную систему для вашего приложения.
Ветряк с горизонтальной осью
Ветровые турбины с горизонтальной осью преобладают в большинстве ветроэнергетических установок.Горизонтальная ось означает, что ось вращения ветряной турбины расположена горизонтально или параллельно земле. В условиях сильного ветра горизонтальные ветряные турбины — это почти все, что вы когда-либо увидите. Однако в небольших ветроэнергетических установках и ветряных установках в жилых помещениях вертикально-осевые турбины имеют свое место. Преимущество горизонтального ветра заключается в том, что он может производить больше электроэнергии из заданного количества ветра. Поэтому, если вы постоянно пытаетесь создать как можно больше ветра, горизонтальная ось, скорее всего, вам подойдет.Однако недостатком горизонтальной оси является то, что она обычно тяжелее и плохо работает при турбулентных ветрах.
Ветрогенератор с вертикальной осью
В комплект входит ветряк с вертикальной осью. В ветряных турбинах с вертикальной осью ось вращения турбины стоит вертикально или перпендикулярно земле. Как упоминалось выше, турбины с вертикальной осью в основном используются в небольших ветроэнергетических проектах и жилых помещениях. Вертикально-осевые ветряные турбины Эта ниша проистекает из заявлений OEM-производителей о способности турбин с вертикальной осью хорошо работать в суровых ветровых условиях.Турбины с вертикальной осью приводятся в действие ветром, идущим со всех 360 градусов, и даже некоторые турбины приводятся в действие, когда ветер дует сверху вниз. Из-за этой универсальности ветряные турбины с вертикальной осью считаются идеальными для установок, где ветровые условия нестабильны или из-за общественных постановлений турбину нельзя разместить достаточно высоко, чтобы использовать устойчивый ветер.
В рубрике: Строительство, Проекты
60 секунд: Ветровые турбины с вертикальной осью
Делфт, Нидерланды,
27
марта
2018
Что такое ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT) и как они вращаются? Наша новая 60-секундная видеолекция объясняет это и демонстрирует преимущества насилия в отношении женщин.Тем не менее, ветряные турбины с горизонтальной осью (HAWT) являются доминирующими ветряными турбинами на рынке, хотя ветряные турбины с вертикальной осью также используются уже долгое время. VAWT реализовывалась в различных проектах, но до сих пор так и не достигла коммерческого «прорыва» .
Недостатки
VAWT менее популярны, чем HAWT, вероятно, из-за первоначального представления о том, что VAWT не могут использоваться для крупномасштабного производства электроэнергии. Известно, что они менее надежны и менее эффективны, чем HAWT, и имеют некоторые недостатки.Во-первых, ротор устанавливается ниже к земле. Поскольку скорость ветра увеличивается с высотой, они испытывают меньшую скорость ветра. Кроме того, VAWT менее эффективны, что может быть связано с дополнительным сопротивлением, вызванным вращением лопасти против ветра. Это приводит к более низкой скорости вращения и, следовательно, к более низкой выходной мощности. Кроме того, они испытывают более высокую циклическую усталость, поскольку лопасти движутся как вверх, так и по ветру. Это может привести к сильной усталости как лезвия, так и трансмиссии. Наконец, VAWT обычно не запускаются автоматически и, следовательно, требуют пускового механизма.
Потенциал на шельфе
В последние годы разработчики морских проектов заинтересовались проектами VAWT, особенно для плавучих морских ветряных электростанций. VAWT предлагает преимущества по сравнению с HAWT, когда речь идет о плавучих основаниях. Ротор и генератор VAWT расположены в основании конструкции, поэтому центр тяжести расположен ниже, что улучшит стабильность плавучести и требует меньшей плавающей опорной конструкции. Кроме того, поскольку трансмиссия находится ближе к поверхности, операции по техническому обслуживанию станут проще, безопаснее и требуют меньше времени.Наконец, ветряные турбины являются всенаправленными или независимыми от направления притока. Это означает, что, в отличие от HAWT, для VAWT не требуется никакого механизма отклонения от курса. В результате для плавающих ветряных турбин VAWT потребуется меньше материалов, будет меньше простоев и меньше компонентов, чем для HAWT, и это может снизить затраты на морскую ветроэнергетику.
Вызовы
Хотя это звучит очень многообещающе для турбин VAWT, все еще есть некоторые проблемы s , которые необходимо решить.В частности, усталость, вызванная циклической нагрузкой, остается проблемой, требующей дальнейшего изучения. В целом, ветряные турбины с вертикальной осью пока не добились большого успеха в наземной ветроэнергетике, но могут иметь будущий потенциал в качестве морских плавучих сооружений.
Больше 60 секунд
Вы все еще можете посмотреть предыдущие 60-секундные лекции по морской энергетике здесь. Есть ли тема, о которой вы хотели бы узнать больше? Сообщите нам об этом в post @ dob-academy.nl, и мы рассмотрим возможность добавления его в нашу серию.
ветряные турбины с вертикальной осью | LuvSide: Мощные ветряные турбины Turn
с вертикальной осью | LuvSide: мощный поворотНовый способ использования энергии ветра.
Что такое ветряные турбины с вертикальной осью?
Ветровые турбины с вертикальной осью — это тип ветряных турбин, в которых лопасти ротора вращаются вокруг вертикального вала. В отличие от обычной веерообразной конструкции ветряных турбин с горизонтальной осью, лопасти ветряных турбин с вертикальной осью часто имеют спиралевидную или H-образную форму.
Новаторство, основанное на древней мудрости
Хотя ветряные турбины с горизонтальной осью являются наиболее известными ветряными генераторами, ветровые турбины с вертикальной осью являются самыми старыми из ветряных турбин.Простые, но надежные, использование ветряных турбин с вертикальной осью восходит к 7 веку как изобретение персов.
Превращение движения в электричество
Ветряные турбины вырабатывают электричество из кинетической энергии ветра. Вращая роторы, они генерируют электрический ток. При подключении непосредственно к электросети или интеграции с энергоблоками они становятся автономными поставщиками энергии, ограниченными только ветром.
Два принципа работы
Савониус: Бегущий за Сопротивление
В ветряных турбинах с вертикальной осьюSavonius используется принцип гидравлического сопротивления роторов.Динамическое давление ветра на лопасти создает эффект сопротивления, заставляя лопасти вращаться. Из-за этого роторы Савониуса никогда не двигаются быстрее скорости ветра.
Дарье: Бегущий по подъему
Также известные как «взбиватель яиц», турбины Дарье с вертикальной осью используют подъемный эффект лопастей. Обтекая конструкцию, ветер создает всасывание на передней стороне турбины, заставляя лопасти вращаться. Скорость вращения турбины Дарье может быть значительно выше скорости ветра.
Ознакомьтесь с нашими проектами в области ветроэнергетики
Почему выбирают ветряные турбины с вертикальной осью?
Хотя ветровые турбины с вертикальной осью имеют меньшую выходную мощность по сравнению с ветряными турбинами с горизонтальной осью, они обладают качествами, которые делают их лучшим решением для густонаселенных районов и небольшого использования на различных ландшафтах.
Датчик ветра 360 °
Для работы не требуются системы слежения за ветром.
Выносливость при сильном ветре
Работоспособен в условиях турбулентности воздуха и частой смены направления ветра.
Низкое воздействие на окружающую среду
Отсутствие тени, меньшая угроза для летающих животных и более низкий уровень шума.
Простота обслуживания
Прочная конструкция с генератором, расположенным всего в нескольких метрах от земли.
Меньший размер
Легче транспортировать, проще устанавливать.
Поразительный вид
Работает мощно, выглядит фантастически.
Узнать больше
Интеграция ветряных турбин в ваши планы
Узнайте больше о том, как ветряные турбины с вертикальной осью и технологии LuvSide способствуют преобразованию вашей энергии в возобновляемые источники.
Найдите свое решение
Предпочтение конфиденциальностиНа нашем веб-сайте мы используем файлы cookie.Некоторые из них очень важны, а другие помогают нам улучшить этот веб-сайт и улучшить ваш опыт.
Предпочтение конфиденциальностиЗдесь вы найдете обзор всех используемых файлов cookie.Вы можете дать свое согласие на использование целых категорий или отобразить дополнительную информацию и выбрать определенные файлы cookie.
| Имя | Borlabs Cookie |
|---|---|
| Провайдер | Владелец сайта |
| Назначение | Сохраняет предпочтения посетителей, выбранные в поле Cookie Borlabs Cookie. |
| Имя файла cookie | borlabs-cookie |
| Срок действия cookie | 1 год |
| Имя | WPML |
|---|---|
| Провайдер | Владелец сайта |
| Назначение | Сохраняет текущий язык. |
| Имя файла cookie | _icl_ *, wpml_ *, wp-wpml_ * |
| Срок действия cookie | 1 Тег |
Действительно ли будущее за ветряками с вертикальной осью?
Недавно опубликованное исследование Оксфордского университета Брукса предполагает, что H-образные турбины Дарье с вертикальной осью (VAWT), установленные определенным образом, могут превзойти «традиционные винтовые» ветряные турбины или HAWT в ветряных электростанциях.
Когда они расположены близко друг к другу попарно, VAWT повышают эффективность друг друга до 15%, говорится в пресс-релизе британского института, что привлекло большое внимание средств массовой информации. Деловое издание Forbes написало в мае: «Недавнее открытие инженеров Школы инженерии, вычислений и математики Оксфорд-Бруксского университета может навсегда изменить конструкцию оффшорных ветряных электростанций».
Но насколько реалистичны прогнозы, полученные на основе двумерного моделирования теоретических VAWT с 20-метровыми роторами по сравнению с нынешними «традиционными» оффшорными гигантами? А кто их будет развивать и строить?
Компьютерное моделирование
Исследование «Численное моделирование и оптимизация пар ветряных турбин с вертикальной осью: масштабный подход» было первоначально опубликовано в журнале Elsevier’s Renewable Energy в марте.Сообщается, что это первая компания, которая всесторонне проанализировала многие аспекты характеристик ветряных турбин в отношении угла установки, направления вращения, расстояния между турбинами и количества роторов.
Исследовательская группа университета во главе с Яковосом Цанакисом, профессором технологий, дизайна и окружающей среды, использовала обширное компьютерное моделирование для углубленного исследования. «Это исследование доказывает, что будущее ветряных электростанций должно быть вертикальным», — сказал Цанакис. «Вертикальные турбины ветряных электростанций могут быть спроектированы так, чтобы они были намного ближе друг к другу, что повысит их эффективность и, в конечном итоге, снизит цены на электроэнергию.В долгосрочном плане VAWT могут помочь ускорить переход наших энергетических систем к «зеленому», так что больше чистой и устойчивой энергии будет поступать из возобновляемых источников ».
Исследователи утверждают, что VAWT в группе ветряных электростанций не страдает от связанных с HAWT проблем турбулентного следа, создаваемого первым рядом, которые снижают мощность рядов турбин позади них до 40%. По их мнению, использование станков с вертикальной, а не горизонтальной осью не только устранило бы эту проблему, но и фактически повысило бы производительность друг друга.
Для исследований использовались два ротора аналогичного размера, причем второй ротор располагался на расстоянии трех диаметров ротора ниже по потоку. Максимальное увеличение выходной мощности — по сравнению с двумя блоками, каждый из которых работает изолированно — было достигнуто при установке второго ротора под углом решетки 60 градусов (ß) к преобладающему направлению ветра.
Еще одна переменная, которую представила команда, позволяла двум роторам либо совместно вращаться в одном направлении, либо встречно вращаться, в результате чего пара, вращающаяся в противоположных направлениях, работала лучше только при меньших углах решетки от -30 до +30 градусов.Минимальная выходная мощность логически достигается, когда ветер дует прямо над двумя роторами, расположенными на одной линии относительно преобладающего направления ветра (0 градусов).
Наконец, двумерное пространство стало неотъемлемой частью свойств моделирования вычислительной гидродинамики (CFD).
Увеличение производительности
Ведущий автор Йоахим Тофтегаард Хансен объяснил, почему команда выбрала для анализа форму ротора Дарье H-типа с диаметром ротора 20 метров: «Другие исследования подтвердили аналогичное увеличение производительности для других чисел Рейнольдса [для прогнозирования потока шаблоны] тоже.Это то, что мы, возможно, будем заинтересованы исследовать в наших будущих исследованиях, анализируя влияние размера турбины ».
Ключевой вопрос заключается в том, могут ли такие предполагаемые морские ветряные электростанции на базе VAWT действительно продвигать их наравне с новейшей HAWT-технологией, которая сейчас находится в масштабе 11-15 МВт и имеет 30-летний совокупный морской опыт.
Эксперт по аэродинамике Йенс Норкер Соренсен — профессор кафедры ветроэнергетики Датского технического университета (DTU), который в прошлом работал с VAWT.Он ставит под сомнение научную основу исследования в Оксфорд-Брукс, схему проектирования и результаты, на которых основаны выводы.
«Мои возражения сосредоточены на трех основных моментах. Первый касается использования двумерной формы для модели потока CFD. На мой взгляд, ветровой поток в группе ветряных электростанций следует всегда изучать с трехмерной точки зрения, потому что смешение свежего высокоэнергетического ветра из верхних, внешних слоев с ветровым потоком с «обедненной энергией» внутри ветроэнергетики. Границы фермы имеют ключевое значение для непрерывной регенерации энергии для выработки в нижних рядах турбин.”
Это важное смешивание ветрового потока внутри ветряных электростанций с HAWT происходит автоматически, потому что вращающиеся лопасти« выдувают »свежий воздух из верхних слоев ветра в решетку во время каждого отдельного оборота ротора. Высота наконечников новейших и самых крупных оффшорных турбин сейчас достигает 250 метров, а вскоре достигнет 300 метров и более. На этих высотах скорость ветра и, следовательно, энергия ветра высоки.
Нет перемешивания ветра
Напротив, у VAWT ось вращения ротора является вертикальной, поэтому ротор, таким образом, всегда вращается в одной плоскости, объясняет Соренсен.В результате не происходит смешения свежего и уже «истощенного» ветрового потока, и этот «использованный» воздух остается внутри массива ветряных электростанций, что оказывает существенное негативное влияние на потенциальное производство электроэнергии во всех последующих рядах вниз по потоку.
Его вторая критика связана с исследовательской установкой, в которой использовалось только два ротора. Согласно отчету, они «расположены во вращающейся области внутри большей прямоугольной области со стационарными стенками вверху и внизу, входом скорости и выходом нулевого манометра.Эта выбранная установка с двумя турбинами плюс граничные условия потока изображены на диаграмме ниже из отчета.
Рис. 3. Граничные условия. R1 всегда вращался против часовой стрелки, но направление вращения R2 варьировалось в зависимости от того, вращалась ли пара одновременно или против часовой стрелки. «Dist» — это расстояние между турбинами, а β — угол решетки (Источник: Oxford Brookes University)
По мнению Соренсена, эта общая концепция исследования содержит несколько других фундаментальных недостатков конструкции.
«Третий момент заключается в том, что он игнорирует реальные условия внутри ветряной электростанции, поэтому таких идеальных условий равномерного ветрового потока с односторонним направлением ветра не существует. Взаимосвязанная ошибка исследования и проектирования заключается в том, что в нем не учитываются сложные, постоянно меняющиеся эффекты взаимодействия ветрового потока с другими рядами турбин ниже по потоку », — говорит он.
«Принимая во внимание все эти недостатки и ошибки, заявленное преимущество увеличения мощности до 15% для близко расположенных VAWT в массивах ветряных электростанций выглядит маловероятным», — говорит Соренсен.
«Наконец, HAWT могут быть расположены намного ближе друг к другу в ветряных электростанциях из-за их превосходной аэродинамической эффективности, поэтому они предлагают значительно более высокую производительность на единицу площади (см. Вертикальные и горизонтальные турбины). Производство электроэнергии с наименьшим жизненным циклом на основе LCoE остается ключевым моментом », — заключает он.
Огромный мгновенный скачок
Путь к коммерциализации технологии VAWT до самых современных уровней HAWT не рассматривался в исследовании, но он будет далеко не простым со многими препятствиями (см. И неопределенности.
Две (британские) компании, Vertax Wind и Wind Power’s Aerogenerator X (см. Ниже), в 2009-2010 годах представили концепции VAWT мощностью 10 МВт для морских установок, но ни одна из них не достигла стадии прототипа. Обе конструкции имеют очень высокие значения удельной мощности: 649 Вт / м2 для конструкции Vertax 10 МВт (диаметр ротора 140 метров и длина лопастей 110 метров) и примерно 1050 Вт / м2 для аэрогенератора X.
Для сравнения, Siemens Gamesa SG 11-200 DD типа HAWT имеет мощность 350 Вт / м2, SG 222 DD (в режиме 14 МВт) — 362 Вт / м2.
Для разработки вертикально-осевых турбин в полномасштабные конкурентоспособные коммерческие концепции, соответствующие последней и крупнейшей флагманской категории HAWT мощностью 12-15 МВт, технологические компании в основном начинают с опыта, полученного в основном с турбинами киловаттного класса и, как правило, только с ограниченным опытом работы на суше.
Такие комплексные процессы разработки продукции потребуют огромного мгновенного масштабного масштабирования ветряных технологий и масштабных усилий по индустриализации. Это также требует больших, сильных сторон с долгосрочными обязательствами и глубокими карманами, чтобы довести его до конца, а затем ускорить его коммерческое наращивание, что приведет к прибыльности и не только.
Сравнение вертикальных и горизонтальных турбин
Основным преимуществом ветряных турбин с вертикальной осью (VAWT) по сравнению с их (против ветра) горизонтальными аналогами (HAWT) является то, что они могут притягивать ветер со всех направлений, не нуждаясь в системе рыскания.
Главный недостаток по сравнению с современными крупномасштабными HAWT — гораздо более низкая аэродинамическая эффективность. В отчете Оксфордского университета Брукса указывается, что максимальный коэффициент давления (Cp) находится в диапазоне 35-40% по сравнению с почти 50% для HAWT, как для турбин, работающих изолированно.Vertax (на фото ниже) заявляет, что проектная цель Cp составляет 38-39%.
Основным следствием этого является то, что удельная мощность VAWT должна быть существенно ниже для достижения аналогичного производства энергии для компенсации их пониженной аэродинамической эффективности. Это означает, что существует неотъемлемая потребность в установке большего ротора на мегаватт в пределах того же класса ветра, для которого они предназначены, и требуемых годовых часов полной нагрузки.
Некоторые конструкции VAWT также не имеют возможности самозапуска, требуя внешнего источника питания (с соответствующими потерями энергии) во время каждого действия запуска, либо двухрежимной электрической машины генератор-двигатель, либо двух отдельных устройств.
Исторически сложившиеся маломасштабные несамозапускающиеся роторы VAWT иногда оснащались внутри небольшим тормозным ротором Савониуса, но это всегда происходило за счет общей аэродинамической эффективности системы.
Другой проблемой VAWT является управление выходной мощностью:
- Для конструкций с регулируемой скоростью и фиксированным углом лопастей опцией управления выходной мощностью является управление скоростью ротора, при котором двухрежимный двигатель-генератор максимизирует и сохраняет номинальную выходной уровень. Главный недостаток — и проблема безопасности, по мнению некоторых экспертов, — это отсутствие аэродинамической тормозной системы, которая есть в современных HAWT с регулируемым шагом (три независимых отказоустойчивых аэродинамических тормоза).Взаимосвязанная проблема заключается в том, что постоянное переключение направления нагрузки во время работы турбины в номинальном диапазоне мощности может ускорить усталость материалов и вызвать преждевременные отказы.
- В качестве альтернативного решения с наклонными лезвиями каждое лезвие прикреплено к опорным рычагам и подшипникам, чтобы оно могло вращаться. Для этого требуется по крайней мере одна или несколько опор подшипников и системы шага для длинных лопастей, что увеличивает сложность, капитальные затраты и, вероятно, эксплуатационные расходы по сравнению с HAWT. Это связано с тем, что подшипники и системы шага расположены в труднодоступных открытых местах.Они могут быть удалены примерно на 110 метров от центра ротора для фиктивной турбины Дарье Н-типа мощностью 11 МВт с диаметром 220 метров, длиной лопастей 175 метров и номинальной мощностью 286 Вт / м2.
- Третья проблема заключается в том, что вся плоскость ротора VAWT всегда обращена прямо к ветру, и остановка плюс блокировка ротора в условиях сильного ветра потребует большой и дорогостоящей тормозной системы. Прошлые усилия по созданию турбин Дарье H-типа с регулируемыми или складными роторами оказались либо слишком дорогими, либо безуспешными по другим причинам, таким как быстрый износ шарнирных точек из-за, среди прочего, проблем со смазкой, создания дисбаланса, вибрации и преждевременных отказов. .
Разница между горизонтальной и вертикальной осью ветряных турбин
Разница между горизонтальной и вертикальной осью ветряных турбин
Сравнение ветряных турбин с горизонтальной и вертикальной осью
Резюме:Основное различие между ветряной турбиной с горизонтальной и вертикальной осью состоит в том, что в ветряной турбине с горизонтальной осью вращение лопастей составляет по вертикали , а в ветровой турбине с горизонтальной осью вращение лопастей равно по горизонтали. Обычное изображение турбин с тремя вращающимися лопастями — это ветряная турбина с горизонтальной осью .
Сравнительная таблица| Ветряк с горизонтальной осью | Ветряная турбина с вертикальной осью |
|---|---|
| Ось вращения параллельна воздушному потоку | Ось вращения перпендикулярна воздушному потоку. |
| Механизм управления рысканием необходим для регулировки ротора вокруг вертикальной оси, чтобы он был направлен против ветра. | Ориентация ротора не требуется; Эти турбины могут генерировать энергию с помощью ветра, дующего с любого направления. |
| Тяжелая гондола, содержащая редуктор, генератор и т. Д., Установлена наверху башни, поэтому проектирование и установка являются сложными. | Гондола не требуется, поскольку редуктор, генератор и т. Д. Расположены на земле, поэтому конструкция и установка просты. |
| Коэффициент мощности и передаточное число наконечника высокие. | Коэффициент мощности и передаточное число наконечника значительно низкие. |
- Машины с горизонтальной осью стали наиболее успешным типом турбин. Они используются для коммерческого производства энергии во многих частях мира.
- Имеют низкую скорость ветра при включении, легкую закрутку и в целом высокий коэффициент мощности.
- Однако их конструкция более сложная и дорогая, поскольку генератор и редуктор должны быть размещены наверху башни.Кроме того, необходимо установить специальный привод рыскания, чтобы ориентировать их по направлению ветра.
- Основные компоненты:
- Лопатки турбины
- концентратор
- Гондола
- Система передачи энергии
- Генератор
- Контроль рыскания
- Тормоза
- Башня
- Ветряная турбина с вертикальной осью (VAWT) также известна как машины с поперечной осью ветра.
- В этих машинах ось вращения перпендикулярна направлению ветра.
- Основные преимущества VAWT по сравнению с HAWT :
- Ветряная турбина с вертикальной осью принимает ветер с любого направления, поэтому система отклонения от курса не требуется.
- Генератор, редуктор и т. Д. Могут быть установлены внизу башни, поэтому конструкция и установка башни просты.
- Осмотр и обслуживание проще.
- Они легче по весу и дешевле. VAWT
- обычно не запускаются автоматически и имеют низкий коэффициент мощности, это основные недостатки. Им требуется механизм для запуска из стационарного положения. Кроме того, существует вероятность того, что лезвия будут работать на очень высокой скорости, что приведет к повреждению системы.
- Основные компоненты:
- Вал ротора или башня
- Лезвия
- Несущая конструкция
