Адрес: 105678, г. Москва, Шоссе Энтузиастов, д. 55 (Карта проезда)
Время работы: ПН-ПТ: с 9.00 до 18.00, СБ: с 9.00 до 14.00

Ветроустановки с вертикальной осью вращения: Обзор ветротехнологий

Содержание

Обзор ветротехнологий

Вертикально осевые ВЭУ

Основным недостатком таких установок является небольшая площадь используемого воздушного потока, которая равна площади рабочей поверхности лопасти ветроколеса. Именно поэтому данные ветродвигатели являются маломощными и неинтересными для потенциальных потребителей. Ещё одним недостатком всех ветродвигателей является необходимость выделения земельных участков для их установки. В рыночных условиях это немаловажно.

Автор предложил избавиться от обозначенных недостатков с помощью диффузоров.

Предлагается использовать диффузоры прямоугольной формы в виде раструбов. Диффузоры устанавливаются по всей окружности ветроколеса широкой частью (основанием) в сторону воздушного потока, а узкой частью (горловиной) направленной на рабочую поверхность лопасти ветроколеса и примыкающей к ней вплотную. Диффузоры, расположенные таким образом , позволяют использовать в равной степени воздушный поток с любого направления, по всей окружности ветроколеса, увеличивая в десятки раз саму площадь используемого воздушного потока и соответственно мощность ветроколеса.

Таким образом, удается устранить основной недостаток ветродвигателей вертикального вращения – небольшую площадь используемого воздушного потока.

Размещение таких ветроустановок не требует выделения земельных участков. Их предлагают размещать над автострадами или на крышах зданий, так-же есть возможность совместного использования с фотоэлементами.

Ветроустановка с аэродинамической передачей

Мощность развиваемая ветродвигателем зависит от аэродинамических свойств ветроколеса и скорости набегающего потока. Однако увеличение диаметра ветроколеса сильно усложняет конструкцию, а возможности улучшения аэродинамических свойств лопастей весьма ограничены. Курский изобретатель А. Г. Уфимцев попробовал решить эту проблему перемещая само ветроколесо с большой скоростью. Такая ветроустановка получила название — ветроустановка с аэродинамической передачей.

Устройство простое, на концах лопастей быстроходного ветроколеса -1 установлены небольшие ветроколёса — 2, соеденённые с генераторами — 3, установленными там же.

При наличии ветра начинает вращаться ветроколесо — 1, вместе с ним, в плоскости вращения начинают вращаться и ветроколёса — 2. Так как окружная скорость достаточно велика, то удается получить высокие обороты ветроколес — 2, благодаря их маленькому диаметру.

Такая ветроустановка получается более легкой, громоздкие зубчатые передачи становятся не нужными, но при этом имеет и недостатки, например сложноть передачи энергии от генераторов — 3, (требуются быстроходные токосемные устройства).

Ветроустановка с пневматической связью французского инженера Андро.

При проектировании ветроустановок всегда приходиться решать проблемы передачи энергии от ветроприемного устройства к генератору, который вырабатывает электроэнергию. Традиционно здесь применяют механическую передачу, что связано с увеличением массы и стоимости.

Французский инженер Андро предложил использовать пневматическую передачу энергии.

Лопасти (1) этой установки выполнены полыми. При вращении ветроколеса воздух внутри лопастей начинает выходить через отверстия на концах, под действием центробежных сил. В результате воздух протягивается через воздушную турбину (2), в нижней части башни (6). Турбина вращает генератор (3).

Принцип, принятый в описываемой установке, означает, что связь между ветроколесом и турбиной осуществляется с помощью столба воздуха. В этом случае не требуются приводные валы, муфты и рычаги. Диаметр ветроколеса в авторской конструкции — 24 метра, при расчётной скорости ветра 13м/сек, через турбину проходит около 2,75 кубических метров воздуха в секунду, что позволяет получить мощность установки 100 квт

Ветроустановки с вертикальной осью вращения

Ветроустановки с вертикальной осью вращения менее популярны, но вполне заслуживают отдельного внимания. В некоторых случаях они более актуальны. Вертикальные ВЭУ также бывают быстроходные и тихоходные.

Классический пример вертикального тихоходного ветряка это — ветроустановка карусельного типа.

Представленная на рисунке установка имеет следующие характеристики: номинальная мощность — 1 Квтт, 2 ветромодуля, конструкция безвантовая (нет растяжек), высота установки — 12 метров, уровень шума — 0 dB на расстоянии 15 метров, начинает вырабатывать электроэнергию при скорости ветра от 3 м/сек.

Ещё один тип вертикольноосевых установок — ортогональные.

По мнению специалистов, ортогональные ветроустановки это удел большой энергетики. Основная особенность этих установок, это необходимость принудительного запуска. Лопасти этой конструкции имеют профиль такой же как у крыла самолёта, который прежде чем опереться на подъёмную силу крыла должен сначала разбежаться. В случае с ортогональной ветроустановкой, её сначала необходимо раскрутить до необходимой скорости, для того что бы она перешла в режим генерации.

Есть так же ортогональные ветрогенераторы и с горизонтальной осью вращения.

Ветроустановки с горизонтальной осью вращения

Данные установки получили наибольшее распространение. Они бывают как тихоходные, многолопастные или парусные) так и быстроходные (двух или трёх лопастные).

Быстроходные ветроустановки следует выбирать для местности со среднегодовой скоростью ветра от 7 м/сек и выше. В районах где скорость ветра более низкая, предпочтительно устанавливать тихоходные ветряки.

На территории России в большинстве случаев наиболее применимы тихоходные ветроустановки.

Самые лучшие из них пожалуй парусные ВЭУ. Эта установка начинает вырабатывать электричество уже при скорости ветра от 2.5 м/сек. Оригинальная конструкция ветроколеса позволяет обходиться без флюгера или других устройств ориентирования на ветер.

Их производят в России, мощностью от 1 до 100 кВтт.

Вихревая ветроэнергетическая установка (ВВЭУ)

Данная установка выполнена в виде пирамиды, в стенках которой расположены направляющие конфузорные каналы, которые образуют зону формирования вихревого потока.

Конфузорные каналы (13 -19) имеют спиралевидную конструкцию, с целью закручивания потока. Набегающий поток ветра проникает в центральный канал (12) через каналы расположенные с ветренной стороны, а в остальных каналах наблюдается эффект подсасывания воздуха, что способствует усилению вихревого потока в центральной части. Ветроколесо с вертикальной осью вращения расположено в верхней части конструкции (1).

Данная конструкция имеет все преимущества вертикальноосевых ВЭУ, плюс дополнительную стабилизацию потока, благодаря чему номинальная мощность установки достигается уже при скорости ветра четыре метра в секунду. Разработчики рекомендуют использовать направление конфузорных каналов по ходу часовой стрелки если конструкция устанавливается в южном полкшарии, и против хода часовой стрелки для северного полушария.

Гибридная ветроустановка

Содержит лопастную ветровую турбину с особыми направляющими внутри вытяжного цилиндра («генератор вихря») с вертикальной осью вращения, расположенной внутри воздухонаправляющего аппарата с нижней и верхней крышками, электрогенератор на оси ветровой турбины, и фотоэлектрический преобразователь световой энергии, элементы которого установлены на верхней крышке воздухонаправляющего аппарата.

Благодаря такому решению увеличивается объем электроэнергии, вырабатываемый установкой, и ее работа становится более стабильной при постоянно меняющейся силе ветра и количестве солнечного света.

Шоссейная ветроустановка

Один из студентов Университета штата Аризона в качестве очередного курсового проекта решил разработать новый тип ветряных электростанций.

Для получения электричества они должны использовать энергию воздушных потоков, возникающих при движении транспорта по крупным автомагистралям.

Согласно проекту, шоссейная ветроустановка будет использовать горизонтальноосевые ветроприемные устройства, смонтированные над дорогами. Согласно имеющимся расчетам при средней скорости транспорта в 112 км/ч, скорость ветра на уровне ветрогенераторов составит не менее 16 км/ч. В год один генератор сможет «выдавать» около 9600 кВт*ч электричества.

Ветряки с вертикальной осью вращения

Актуальность внедрения альтернативных источников энергии побуждает изобретателей и конструкторов всё больше наращивать возможности в этой области. Ветровые установки, уже давно оправдавшие свою эффективность использования, разделяются на два типа: с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Отличаются они расположением вращающегося ротора, соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Горизонтальные — это всем известные вентиляторы на высоких мачтах, что же из себя представляет ветряк с вертикальной осью вращения?

Как это работает?

Ветряк с вертикальной осью вращения имеет турбину значительно больших размеров, чем с горизонтальной. Диаметр роторов промышленных ветряков может достигать 270-300 метров (проект Maglev Turbine). Ротор располагается вертикально, значительно уменьшая количество подвижных деталей, ведь ему нет необходимости «быть по ветру», потому конструкция значительно упрощается.

Огромный ветрогенератор Maglev Turbine

Отличие этого типа ветроустановок заключается в особенностях действия лопастей механизма: вращаясь вокруг опоры по принципу самостабилизации, они реагируют на силу ветра и выравнивают скорость вращения. Это схоже с принципом работы юлы, которая самостабилизируется при увеличении скорости вращения. Ветродвигатели характеризуются тихоходностью, допускается использование простых электросхем.

Более распространённым и привычным для использования считается тип с горизонтальной осью. Но стереотипное суждение о том, что вертикальные ветряки не способны составить им конкуренцию − недостаточно обосновано с технической точки зрения.

Виды ветряков с вертикальной осью вращения

Преимущества ветряка с вертикальной осью вращения:

  • Независимость генерирования энергии от силы и наклона ветра. Работа установки возможна уже при минимальной скорости воздушных потоков. В районах со шквальными ветрами — они незаменимы.
  • Меньшая подверженность механическим повреждениям из-за особенностей конструкции, предусматривающей небольшое количество подвижных деталей.
  • Саморегулирование ветрогенератора с вертикальной осью позволяет отказаться от покупки дополнительных комплектующих.
  • Бесшумность. Благодаря этому свойству ветряк можно устанавливать вблизи от жилых комплексов. Не наносится урон окружающей среде шумовым загрязнением.
  • Небольшая высота упрощает замену и уход за деталями. Установка ветроустановки с вертикальной осью целесообразна в местах, где нежелательны высокие сооружения.
  • Устройство на воде таких ветряков значительно проще, чем с горизонтальной осью. Классические ветряки должны основанием упираться в дно моря или океана, в то время как вертикальные можно располагать на плавучем основании, лишь закрепив его тросами.

Наряду с заманчивыми преимуществами, у данного типа существует и ряд недостатков, связанных с особенностями его конструкции. Изучив нижеприведенные изъяны, многие покупатели отдают предпочтение горизонтальной оси, ведь её КПД зачастую превосходит вертикальную.

Недостатки ветрогенераторов с вертикальным ротором:

  • Значительно меньшая эффективность (практически в два раза) по сравнению с ветряками имеющими горизонтальную ось вращения.
  • Увы, меньшая эффективность совсем не означает меньшую стоимость. В этом случае существует оборотная зависимость: вертикалки существенно дороже. Разница в цене с горизонтальными ветряками может составлять 2-3 раза!
  • Громоздкость. Как говорилось, огромные лопасти – главная внешняя особенность этих генераторов. Они создают неудобства как в изготовлении, так и в установке. Хотя эта проблема на сегодня решается, путем усовершенствования конструкции лопастей.
  • Слабое место этого типа ветряков – опорные подшипники.

Стоимость ветряка с вертикальной осью вращения:

Заплатить за ветряки с вертикальной осью вращения придется в зависимости от их мощности. Комплект в 1000 Вт обойдётся около 3300€, 2000 Вт – 5200€, а мощность в 3000 Вт оценивается примерно в 8200€. Для производства больших объёмов энергии, установка в 10 КВт будет стоить от 30000€.

Цены на продукцию отечественных производителей намного ниже, чем на импортные товары. Стоит отметить, что качество российских марок практически не уступает иностранным и благодаря этому можно существенно сэкономить.

Пример работы вертикально-роторного ветряка (видео):

 

Ветроэнергетика — общая информация — Полезная информация — ВАРМА

   Ветрогенераторы

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) преобразует кинетическую энергию ветра в механическую или электрическую энергию, удобную для практического использования. ВЭУ производят электрическую энергию для бытовых или промышленных нужд. Существуют два основных вида установок: ветроустановки с вертикальной осью вращения и ветроустановки с горизонтальной осью вращения. Ветроустановки с горизонтальной осью составляют около 95% всех ветроустановок, подключенных к сетям энергосистем. Ветроустановка включает следующие основные подсистемы и узлы: ротор или лопасти, который преобразует энергию ветра в энергию вращения вала, кабину или гондолу, в которой обычно расположен редуктор ( некоторые турбины работают без редуктора), генератор и другие системы, башню, которая поддерживает ротор и кабину, электрическое и электронное оборудование, также как и панели управления, электрические кабели, оборудование заземления, оборудование для подключения к сети, система молниезащиты, система накопления электроэнергии и ее стабилизации, и др. Диаметр ротора ВЭУ по мере возрастания мощности ветроустановки от 1 до 3000 кВт увеличивается от 2 до 100 м, а высота башни от 8 до 100 м. Для ВЭУ выше 150 кВт диаметр ротора и высота башни примерно равны.

В каких случаях выгодно использовать ветрогенератор?

Ветровые электростанции установки наиболее выгодно использовать в местах, где невозможно провести общую электросеть, или соединение является очень затратным, а также — в местах с частыми отключениями электричества. Ветровые электростанции смысл устанавливать, если в месте становления среднегодовая скорость ветра превышает 3 м/с.

Скорость ветра- важнейший элемент в проектировании и использования ветроустановки.В общем случае, при среднегодовой скорости ветра более 4 м/с на высоте 10 м ( на этой высоте на метеостанциях устанавливаются анемометры — приборы, измеряющие скорость ветра) возможно эффективное применение ветроустановок, а ветер с меньшей скоростью годится для водоподъемных устройств. Главное правило состоит в том, что возможная вырабатываемая мощность пропорциональна кубу скорости ветра и квадрату диаметра ротора. Это означает, что при удвоении скорости ветра возможная вырабатываемая мощность увеличивается в 8 раз. Так, ветроустановка, работающая при средней скорости 6 м/с, генерирует мощность на 44% большую, чем при скорости 5 м/с. Если скорость ветра определяется местом, где сооружается ветроустановка, то диаметр ее ротора — это элемент конструкции, величина которого зависит от многих расчетных параметров. Чаще всего решается обратная задача: задается проектируемая мощность ВЭУ и далее определяется требуемый диаметр при определенной расчетной скорости.

Формула мощности ВЭУ выглядит следующим образом:

P=½·ρ·A·V3·Cp·ηг·ηм, Вт

где ρ= 1,22 — плотность воздуха (стандартная), кг/м3
V — скорость ветра,, м/с
ηг·ηм— коэффициенты полезного действия генератора и механической передачи между ветроколесом и генератором,
Cp — коэффициент использования ветра, зависящий от профиля лопастей и других режимных параметров, предельное значение которого равно 0,593, а достигнутое в эксплуатации- 0,4-0,45,
А — площадь ветротурбины, в случае пропеллерной турбины вычисляется по формуле:

А=¼π·D2, м2

где D, м- диаметр ротора,π=3,14.

Наиболее экономически выгодное применение ВЭУ имеет место, если ветротурбины объединены в группы. Их называют ветроэлектрическими станциями (ВЭС), а за рубежом «ветровыми фермами» (wind farm). Их мощность колеблется от сотен киловатт до сотен мегаватт. Ветроустановки большой мощности не предназначены для автономной работы или работы параллельно друг с другом. Поэтому как только отключается ЛЭП (линия электропередачи), связывающую ВЭУ с энергосистемой, останавливаются и ВЭС. Обычно при проектировании обеспечивается связь с двумя ЛЭП с разных точек энергосистемы. Для одиночных ВЭУ и небольших ВЭС, питающих определенную нагрузку, нужно иметь резервный источник электроснабжения (дизель-генератор, газотурбинная установка, солнечные батареи).

Очень важным параметром в проектировании ВЭУ является коэффициент использования установленной мощности, дающий представление об эффективности работы ВЭУ. Это отношение средней выработки генерирующего устройства к максимально возможной. Большинство современных ВЭУ работают с коэффициентом использования установленной мощности от 25 до 35%. Электростанции, работающие на невозобновляемых источниках энергии, имеют коэффициент использования установленной мощности от 40 до 80%. Лучшие ветроустановки в хороших ветровых условиях работают с коэффициентом 0,5. Хорошими ветровыми условиями в России обладают следующие субъекты РФ: Архангельская, Астраханская, Волгоградская, Калининградская, Камчатская, Ленинградская, Магаданская, Мурманская, Новосибирская, Пермская, Ростовская, Сахалинская, Тюменская области, Краснодарский, Приморский, Хабаровский края, Дагестан, Калмыкия. Карелия, Коми. Ненецкий автономный округ, Хакасия, Чукотка, Якутия, Ямало-Ненецкий автономный округ.

Как выбрать ветрогенератор?

Распространенная ошибка — выбирать мощность ветроустановки по пиковой мощности нагрузки. Ветрогенератор, также как и солнечные батареи, является источником энергии, а не мощности. Поэтому расчет ветроэнергетической системы ведется в несколько шагов, и желательно, если это сделает специалист.

Для выбора ветрогенератора сначала Вам необходимо определить своё потребление в кВт*часах в месяц, пиковую (суммарную) мощность всех приборов и постараться узнать среднегодовую и среднемесячные скорости ветра в Вашей местности. Последний параметр не всегда возможно определить с достаточной точностью. Даже если вы получите данные по многолетним скоростям ветра от ближайшей метеостанции, не факт, что в месте установки вашей ветротурбины будет именно такая скорость ветра. Поэтому для больших ветростанций необходимо обязательно проводить мониторинг скорости ветра хотя бы в течение одного года, а затем сделать корреляцию полученных данных с данными от ближайшей метеостанции. Для малых ветроустановок такой путь слишком дорог, и очень часто малые ВЭУ устанавливаются на страх и риск хозяина. В таких случаях обычно, если ветра недостаточно, признается, что решение об установке ветротурбины было ошибочным. Если же ветер хороший, то следующим шагом обычно является увеличение мощности малой ветростанции.

Для получения электричества в необходимом объёме нужно понимать, что количество вырабатываемой ветряком энергии напрямую зависит от ометаемой ветротурбиной площади или максимального сечения ветротурбины. Для минимального обеспечения пары лампочек, ТВ, холодильника, электрочайника — диаметр ветряка должен быть не менее 2,5 метров при средних по силе ветрах.

Особое внимание стоит уделять не только мощности ВЭУ (именно ВЭУ, а не инвертора, входящего в комплект), но и при какой скорости ветра эта мощность может быть получена. Некоторые продавцы представляют завышенные показатели. Для этого не поленитесь подсчитать по несложной формуле мощность, которую способен отдать ветряк с винтом конкретного диаметра. Эта мощность практически зависит только от скорости ветра V и диаметра ветротурбины D, а все остальные факторы — количество лопастей, их вес, площадь, профиль, крутка, генератор, подшипники и т. д. — второстепенные и большой погрешности не дают.

Упрощенная формула расчета реально отдаваемой ветром мощности в зависимости от скорости ветра и диаметра винта: 
Р = D2V3/7000, кВт, 
с точностью ±20% (зависит от КПД турбины и генератора). +20% — идеальная ВЭУ, ее цена увеличится в 2-3 раза. -20% — первый ветрякэнтузиаста-любителя. При равной мощности ВЭУ выбирайте ту, у которой диаметр ветроколеса больше.

Как это не парадоксально, но чем меньше лопастей в ветроколесе, тем выше его КПД. Это проверено как теоретическими исследованиями, так и продувками в аэродинамической трубе, хотя разница между 1, 2, 3 лопастями незначительна. Однако, с уменьшением количества лопастей также уменьшается момент страгивания и ухудшается работа при низких скоростях ветра. У однолопастных ветротурбин также есть серьезная проблема с балансировкой и надежностью ветроколеса.

Ветрогенераторы с 2-3 лопастями относятся к быстроходных с более высоким КПД и частотой вращения, но при этом низкий стартовый момент ротора. Поэтому быстроходные ветрогенераторы выгодно объединять с электрическим генератором, так как электрический генератор имеет высокую частоту вращения (для улучшения массогабаритных характеристик) и низкий пусковой момент. Тихоходные многолопастные ветротурбины обычно работают в связке с водяными насосами, у которых большой момент запуска и меньшая частота вращения. Быстроходные 3-х лопастные ветрогенераторы получили большее распространение, чем 2-х лопастные, несмотря на их высокую стоимость. 3-х лопастным ротором генерируется меньше вибрация и выглядит он более эстетично. Поэтому во всем мире оптимальным количеством лопастей горизонтально-осевой ветротурбины признано 3.

Некоторые производители представляют результаты продувок своих ветроэлектрических установок по мощности в аэродинамической трубе. Это хорошо, и говорит о серьезном подходе к делу. Однако, необходимо учитывать, что мощность в аэродинамической трубе и в природе на ветру отличаются примерно на 10-30% вследствие идеализации воздушного потока в трубе. Реальный поток ветра имеет турбулентности, которые существенно ухудшают параметры ветроколеса.

Мощность, вырабатываемая ветрогенератором, пропорциональна кубу скорости ветра. Это означает, что мощность ветрогенератора на слабых ветрах (даже если он вращается) очень мала. Но, с усилением ветра, идет резкое нарастание мощности. А поскольку ветер на практике дует с постоянной скоростью и направлением только в аэродинамической трубе, понятно, что мощность, вырабатываемая ветрогенератором, является постоянно меняющейся по времени величиной. Поэтому любая энергетическая система с использованием ветрогенератора в качестве источника энергии должна иметь стабилизирующее звено.

В малых автономных системах роль такого звена обычно играет аккумуляторная батарея. Если мощность ветрогенератора больше мощности нагрузки, батарея заряжается. Если мощность нагрузки больше – батарея разряжается. Из этого следует следующая важная особенность ветрогенератора, как источника мощности: если большинство других источников выбираются по мощности пиковой нагрузки, ветрогенераторы следует выбирать, исходя из величины потребления электроэнергии в месяц (или в год, как кому нравится).

Проиллюстрируем это на примере. На берегу моря, где средняя скорость ветра приближается к 6 м/с, стоит домик, куда приезжает семья из трех человек на выходные. Электрооборудование включается тоже только на выходные. В день потребление достигает 15 кВт*ч, при этом пиковая нагрузка – до 3 кВт. Следовательно, в месяц потребление энергии равно 120 кВт*ч. При среднегодовой скорости ветра 6 м/с выработку 120 кВт*ч в месяц может обеспечить небольшой 700-ваттный ветрогенератор. Кроме того, для аккумулирования энергии в течение 5 дней потребуется батарея большой емкости, и инвертор (который преобразовывает постоянное напряжение батареи в стандартное переменное) мощностью 3 кВт, чтобы обеспечить пиковые нагрузки.

Как можно видеть, в каждом из вышеописанных случаев мощность ветрогенератора отличается в разы от пиковой мощности нагрузки. Мощность пиковой нагрузки определяет мощность преобразователя. Сам ветрогенератор определяет только величину выработки в определенный временной промежуток при определенной среднемесячной скорости ветра. Кроме средней скорости ветра, существуют более подробные вводные данные для оценки ветровых ресурсов, называемые параметрами распределения Вейбулла, которые отражают распределение длительности ветра определенной силы для данного места, они используются при проектировании ветропарков мощностью в десятки МВт.

Вертикально-осевые ветроустановки, использующие силу давления ветра, имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравнению с горизонтально-осевыми. Это примерно как гребные колеса у дореволюционных пароходов по сравнению с обычным винтом любого современного корабля или катера. Такие ветротурбины имеют большую материалоемкость и, соответственно, высокую удельную стоимость.

Ортогональные ветроустановки с вертикальной осью вращения, которые используют подъемную силу крыла, имеют КПД немногим менее пропеллерных, поэтому их эффективность также высока. Но у таких вертикально-осевых турбин есть другой недостаток — они не могут самостоятельно начать вращение, и для их запуска их надо раскрутить — или от сети, или с помощью другой ветротурбины, имеющей стартовый момент вращения (часто используется турбина Савониуса для этих целей).

Не стоит увлекаться поиском ВЭУ, начинающих работать на малых скоростях ветра — до 3 м/с, так как на этих скоростях ветра его энергия ничтожно мала. Например, для ВЭУ с диаметром винта 5 м вырабатываемая мощность при скорости ветра 2 м/с будет менее 30 Вт, причем половина этой мощности уйдет на всякие потери в механических элементах, генераторе и контроллере, а оставшиеся 15 Вт — это мизер для аккумуляторов, рассчитанных на номинальную мощность 5 кВт. Так что, кроме наслаждения от вида вращающегося ветроколеса, вы больше ничего не получите.

Какие нужны документы и разрешения для установки ветрогенератора?

Импортируемые ветроустановки также не подлежат сертификации. Вы можете без проблем установить на своей территории для себя ветрогенератор мощностью до 75 кВт и высотой до 30 метров для личного некоммерческого использования. Для этого не нужны никакие документы, справки или разрешения.

 

Ветрогенераторы с горизонтальной и вертикальной осью Статьи о ветряных установках

« Назад

Классификация установок с приводом от ветра

Классификация типов ветрогенераторов начинается с положения их оси:

  1. Установки с горизонтальной осью или горизонтальные. Высокая скорость вращения обеспечивает достаточно высокий к.п.д. Большинство энергетических генераторов строят по этой схеме.

    Бывают несколько разновидностей. Все используют лопасти с поперечным профилем, аналогичным профилю крыла.

    • Однолопастные – вместо второй лопасти установлен небольшой обтекаемый противовес. Могут развивать высокую скорость и за счет этого уменьшить вес и габариты установки.
    • Двухлопастные – от предыдущих почти не отличаются.
    • Трехлопастные – подавляющее большинство промышленных мощных установок. Мощность может достигать 5 – 8 МВт.
    • Многолопастные – до 50 лопастей. Тихоходные, с большой силой вращения. В ХХ веке использовались для водяных насосов.

    Установки требуют флюгерный механизм. На сильном ветре нужно торможение или флюгирование лопасти, т. е. ее поворота для уменьшения скорости.

  2. С вертикальной осью, т. е. вертикальные ветрогенераторы.

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения

Вращение начинается при малейшем движении ветра. Его направление не имеет значения.

Наиболее известные конструкции ветрогенераторов с вертикальной осью вращения:

  1. С роторами Савониуса. Роторы по горизонтали имеют S-образную форму. Характеризуются небольшой скоростью и большим моментом. Бывают двух- и многолопастные конструкции.Разновидностью является щелевой ротор Савониуса, в котором между лопастями в зоне оси механизма имеется щелевой зазор, который увеличивает эффективность вращения.
  2. С ротором Дарье. Несколько узких лопастей полукруглой или треугольной формы с профилем крыла. Малый момент в начале движения компенсируется большой скоростью. Удельная мощность по отношению к массе достаточно велика.
  3. С ротором на эффекте Магнуса. Подъемная сила возникает при вращении цилиндра. Разновидностями являются роторы Флетшера и Мадараса. При обтекании цилиндра потоком воздуха и его вращении возникает сила, перпендикулярная направлению потока.
  4. Ортогональные ветродвигатели или малые ветрогенераторы. Несколько лопастей параллельных оси установки, размещенных на небольшом расстоянии от оси. Эффективность снижается движением лопастей против ветра на нерабочей части. Число лопаток – от трех до десятка.
  5. Многолопастные роторные ветрогенераторы с направляющим аппаратом. Снаружи установлено несколько неподвижных поворачивающихся плоскостей, направляющих поток воздуха на вращающиеся лопасти. Поток воздуха подается под самым оптимальным углом, повышая энергоэффективность устройства.

 

Что лучше — вертикально или горизонтально-осевая ВЭУ?

(по материалам специалистов по ветроэнергетике КБ «Южное»: д.т.н. М.И.Галась, инж. Ю.П.Дымковец, Н.А.Акаев, И.Ю.Костюков)

В настоящее время в мировом эксплуатируемом парке ветроэнергетических установок (ВЭУ) горизонтально-осевые или так называемые пропеллерные установки составляют более 90%, а их серийным выпуском занимаются несколько тысяч предприятий. Отставание в освоении вертикально-осевых ВЭУ вызвано несколькими причинами. Вертикально-осевые ВЭУ были изобретены позже горизонтально-осевых пропеллерных (ротор Савониуса — в 1929 г., ротор Дарье — в 1931 г., ротор Масгроува — в 1975 г. ). Кроме этого, до недавнего времени главным недостатком вертикально-осевых ВЭУ ошибочно считалось, что для них невозможно получить отношение максимальной линейной скорости рабочих органов (лопастей) к скорости ветра больше единицы (для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ это отношение достигает более 5:1).

 

Эта предпосылка, верная только для тихоходных роторов типа ротора Савониуса, использующих различные сопротивления лопастей при их движении по ветру и против ветра, привела к неправильным теоретическим выводам о том, что предельный коэффициент использования энергии ветра у вертикально-осевых ВЭУ ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных, из-за чего этот тип ВЭУ почти 40 лет вообще не разрабатывался. И только в 60-х – 70-х годах сначала канадскими, а затем американскими и английскими специалистами было экспериментально доказано, что эти выводы неприменимы к роторам Дарье, использующим подъемную силу лопастей. Для этих роторов указанное максимальное отношение линейной скорости рабочих органов к скорости ветра достигает 6:1 и выше, а коэффициент использования энергии ветра не ниже, чем у горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ.

Играет определенную роль и то обстоятельство, что объем теоретических исследований принципиально новых вопросов аэродинамики ротора и опыт разработки, отработки и эксплуатации вертикально-осевых ВЭУ гораздо меньше, чем горизонтально-осевых пропеллерных.
Вертикально-осевые ВЭУ стали интенсивно осваивать с начала 80-х годов, причем диапазон их мощностей непрерывно расширяется. Сегодня практически все страны эксплуатируют вертикально-осевые ВЭУ с ротором Дарье, причем в Канаде, США, Нидерландах предпочтение отдается классической схеме с криволинейными лопастями, а в Великобритании и Румынии в качестве основной схемы приняты роторы с прямыми лопастями, параллельными оси вращения. Наибольших успехов добилась фирма VAWT (Великобритания). С 1986 г. на о-ве Сардиния была испытана ВЭУ этой фирмы с ротором диаметром 14 м и мощностью 40 кВт. В том же году была введена в промышленную эксплуатацию ВЭУ VAWT-450 с ротором диаметром 25 м мощностью 130 кВт. Сейчас фирма работает над созданием установки VAWT-850 мощностью 500 кВт. Фирма приступила к разработке более крупной установки VAWT -2400 с ротором диаметром 67 м мощностью 1.7 МВт.

В России разработкой вертикально-осевых ВЭУ с прямыми лопастями занимаются КБ “Радуга”, ООО «ГРЦ-Вертикаль», Объединение «Гидропроект», ЦАГИ, ВНИИ электроэнергетики, ООО “Электросфера” и многие другие. Созданы опытные установки ВЛ-2М, ВДД-16 и др., которые при испытаниях показывают неплохие результаты.

Почему для разработки все больше выбирают вертикально-осевые ВЭУ с прямыми лопастями?
Встречающиеся в литературе сопоставления ВЭУ вертикально-осевой и горизонтально-осевой пропеллерной схем обычно ограничиваются упоминанием о предпочтительности вертикально-осевых ВЭУ в связи с их основной особенностью — нечувствительностью к направлению ветра и, следовательно, возможностью значительного упрощения конструкции установки. Более того, прогнозируется наибольшее применение вертикально-осевых ВЭУ в развивающихся странах, не владеющих современными технологиями. В обоснование такого прогноза выдвигается именно конструктивная простота вертикально-осевых установок, не требующих поворотных устройств и систем.

Однако опыт проектирования и эксплуатации ветрогенераторов (ветроэлектрических или ветроэнергетических установок) показывает, что отсутствие поворотных устройств и систем — не единственный оценочный параметр для сравнения их с горизонтально-осевыми пропеллерными. Вертикально-осевые и горизонтально-осевые ВЭУ — принципиально разные решения, многие характеристики этих установок не повторяются.

Поэтому кроме независимости работы вертикально-осевых ВЭУ от направления ветра, как явно положительной характеристики, обусловливающей многие другие достоинства, существует целый ряд других их принципиальных особенностей и конструктивных решений, которые можно рассматривать как не менее важные.

Ниже приведены некоторые сопоставительные оценки вертикально-осевой и горизонтально-осевой пропеллерной схем, проведенные с разных точек зрения. Сравнениям будет подвергаться пропеллерная установка в традиционном исполнении и вертикально-осевая типа Дарье с прямыми лопастями.

ЗАВИСИМОСТЬ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВЭУ ОТ НАПРАВЛЕНИЯ ВЕТРА

Наибольшая эффективность горизонтальных пропеллерных ВЭУ достижима только при условии обеспечения постоянной коллинеарности оси ветроколеса и направления ветра. Необходимость ориентации на ветер требует наличия в конструкции ВЭУ механизмов и систем ориентации на ветер для непрерывного слежения за ветровой обстановкой, поиска направления с максимальным ветровым потенциалом, поворота ветроколеса в этом направлении и его удержания в таком положении. Наличие в конструкции ВЭУ системы ориентации на ветер само по себе усложняет ветроагрегат и снижает его надежность (по данным опыта эксплуатации зарубежных ВЭУ этого типа до 13% общего количества отказов приходится на системы ориентации).

Кроме того, практически невозможно эффективно ориентировать ветроколесо при изменении направления ветра из-за запаздывания действия механизмов ориентации. Для ветроустановок средней и большой мощности с диаметром ветроколеса более 30-40 м эффективность его ориентации на ветер снижается вследствие некомпланарности и различия в скоростях ветрового потока по длине размаха лопастей, что приводит к невозможности установки ветроколеса а оптимальное направление ориентации. Из-за этого снижаются выработка электроэнергии (вследствие уменьшения используемой энергии ветрового потока) и экономическая эффективность ветроустановки.

К конструктивным недостаткам можно отнести то, что система ориентации разрывает жесткую связь между гондолой (корпусом ветро-агрегата) и опорной башней горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ, чем обусловливаются появление автоколебаний и различие в частотных характеристиках подвижной и неподвижной частей конструкции, что в конечном счете снижает надежность и увеличивает амортизационные издержки.

Эффективность же работы вертикально осевых ВЭУ принципиально не зависит от направления ветра, в связи с чем отпадает необходимость в механизмах и системах ориентации на ветер. Неравенство характеристик ветрового потока по высоте приводит лишь к некоторому выравниванию моментов поворота, снимаемых с лопастей.

КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ВЕТРА

Теоретически доказано, что коэффициент использования энергии ветра идеального ветроколеса горизонтальных, пропеллерных и вертикально-осевых установок равен, 0. 593. Это объясняется тем, что роторы ВЭУ обоих типов используют один и тот же эффект подъемной силы, возникающий при обтекании ветровым потоком профилированной лопасти, К настоящему времени достигнутый на горизонтальных пропеллерных ВЭУ коэффициент использования энергии ветра составляет 0.4. На данный момент этот коэффициент у ветрогенераторов (ветроустановок) ГРЦ-Вертикаль составляет 0.38. Проведенные экспериментальные исследования российских вертикально-осевых установок показали, что достижение значения 0.4-0.45 — вполне реальная задача. Таким образом, можно отметить, что коэффициенты использования энергии ветра горизонтально-осевых пропеллерных и вертикально-осевых ВЭУ близки.

ЗАПУСК ВЭУ

Считается, что момент трогания горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ не равен 0, поэтому для их запуска не требуются внешние источники энергии. Однако на практике ветроколесо этого типа самозапускается только в том случае, если оно с той или иной точностью направлено на ветер. При боковом же ветре мощное ветроколесо может и не самозапуститься и необходим внешний источник энергии для разворота гондолы с ветроколесом на ветер.

Долгое время считалось, что момент трогания вертикально-осевых ВЭУ равен 0, т. е. считалось, что они не самозапускаются.
Однако ученые ГРЦ-Вертикаль разработали ветро-ротор H-Дарье, который самозапускается при скорости ветра 3.5-4 м/с в зависимости от мощности (массы) ветро-турбины. Момент трогания этих ветроустановок гораздо больше 0, а для самораскрутки достаточно лишь небольшого порыва ветра.

Тем не менее, крупные ветроэнергетические установки обычно оснащают дополнительными турбинами типа Савониуса для гарантированного старта.
Усложнение конструкции ВЭУ приводит к снижению надежности, а введение дополнительных аэродинамических устройств — к снижению мощности ветровой турбины, что хуже, чем наличие источника мощности для запуска. Это учитывается на современном этапе и при проектировании новых конструкций горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ. Так, разработчики установки серии МОД мощностью 4.4 МВт отказались от одного из важнейших преимуществ этого типа ВЭУ — возможности самозапуска, выполнив лопасти ротора с фиксированным шагом, рассчитанным на наиболее эффективную работу в номинальном диапазоне скоростей ветра. Для запуска был использован прием, заимствованный у вертикально-осевых ВЭУ, — кратковременное переключение генератора на двигательный режим и разгон ротора.

РАЦИОНАЛЬНОСТЬ СИЛОВОЙ СХЕМЫ ВЕТРОТУРБИНЫ

Инерционные нагрузки на лопасть горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ направлены вдоль лопасти, т. е. наиболее выгодным образом. Ступица колеса и элементы опорно-подшипникового узла компактны и малогабаритны. Инерционные нагрузки на лопасть вертикально-осевой ВЭУ направлены поперек лопасти вдоль траверсы. Ступица и опорно-подшипниковый узел имеют большие габариты. Таким образом, ветротурбина (ветро-ротор) вертикально-осевой ВЭУ в меньшей степени удовлетворяет требованию рациональности силовой схемы, чем ветротурбина горизонтально-осевой пропеллерной. Как результат этого ветотурбина с вертикально-осевой ВЭУ оказывается тяжелее горизонтально-осевой пропеллерной.

Между тем при переходе к ВЭУ мегаваттных мощностей необходимо учитывать значительно меняющийся характер нагружения. Во-первых, аэродинамические нагрузки на лопасть горизонтально-осевой ВЭУ в верхнем в нижнем положении неодинаковы из-за разницы скоростей ветра по длине размаха лопастей. Лопасть работает в разных быстроходностях и передает ступице пульсирующий крутящий момент. Во-вторых, возрастает значение сил гравитации. Пульсирующие аэродинамические и гравитационные нагрузки существенно снижают виброживучесть лопасти, ступицы и опорно-трансмиссионной системы. Возрастают также силы Кориолиса при поворотах турбины на ветер.

КОНСТРУКЦИЯ ЛОПАСТИ

Все сечения лопасти горизонтальной пропеллерной ВЭУ находятся в разных энергетических состояниях из-за различия в них окружных скоростей и углов атаки. Это различие значительно снижается благодаря скрутке сечений лопасти одно относительно другого. Особенности инерционного нагружения лопасти приводят к необходимости сужения профиля к концу лопасти. Таким образом, пропеллерная лопасть конструктивно представляется значительно более сложной, чем прямоугольная, симметричная относительно хордовой плоскости лопасть вертикально-осевой ВЭУ. С другой стороны, сборка стеклопластиковой лопасти вертикально-осевой ВЭУ из отдельных секций представляет значительную трудность ввиду необходимости организации фланцевых стыков.

ПОВОРОТ ЛОПАСТЕЙ

Поворот лопастей горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ отработан и используется не только как средство торможении ветроколеса (наряду с обычным фрикционным), но главным образом как средство поиска оптимального угла установки лопасти для удержания ветроколеса на предельно возможном числе оборотов во избежание выхода его в разнос.

Применение системы поворота лопастей значительно усложняет конструкцию ВЭУ, так как при этом нужны и система непрерывного слежения за числом оборотов, и поворотные устройства с приводами для каждой лопасти, и система автоматического управления углами поворота лопастей. С точки зрения предотвращения опасности выхода на аварийный режим вращения ветроколеса поворотные системы и устройства для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ совершенно необходимы.

Поворот лопастей вертикально-осевой турбины был бы весьма эффективен не только для торможения, но и для поддержания оптимального угла атаки при всех положениях лопасти на окружности вращения. Установки с таким принципом работы в настоящее время применения не находит по следующим соображениям: массивная лопасть за время одного оборота вокруг оси вращения должна сделать несколько качаний, сориентированных на направление ветра. Не говоря уже о сложности создания самих систем и устройств для таких поворотов, установка становится зависящей от направления ветра, а ее конструкция будет значительно усложнена. Однако главным соображением по этому поводу остается тот факт, что и без поворота лопастей эффективность вертикально-осевой ВЭУ находится на уровне эффективности горизонтально-осевой пропеллерной.

ОМЕТАЕМАЯ ПОВЕРХНОСТЬ И ЭНЕРГИЯ, СНИМАЕМАЯ С ЕДИНИЦЫ ДЛИНЫ ЛОПАСТИ

Ометаемая поверхность горизонтальных пропеллерных определяется площадью круга, образуемого вращающимися концами лопастей. Для вертикально-осевой ВЭУ эта поверхность определяется как площадь прямоугольника со сторонами, равными длине лопасти и диаметру ветротурбины (ветро-ротора). Таким образом ометаемая поверхность вертикально-осевой ВЭУ образуется более выгодным образом, так как прямоугольная поверхность может изменяться не только за счет изменения длины лопастей, но и за счет диаметра их вращения, что расширяет тактические возможности варьирования параметрами ветротурбины при ее проектировании и отработке.

Энергия, снимаемая с единицы длины лопасти горизонтально-осевой пропеллерной ВЭУ, несмотря на кручение лопасти сильно изменяется от комля к концу лопасти, главным образом вследствие увеличения быстроходности (от 0 в районе комля лопасти до максимального значения на конце лопасти).

Если говорить о вертикально-осевой ВЭУ, то значение снимаемой энергии незначительно изменяется по длине лопасти, причем это изменение зависит только от изменения качества энергии ветрового потока: наличия порывов ветра, непостоянства скорости ветра по высоте. Однако здесь есть другие причины потерь снимаемой энергии — неоптимальные углы атаки, в разных положениях лопасти на окружности вращения, падение моментов вращения ветротурбины в положениях, когда лопасть движется вдоль потока, и снижение моментов вращения от лопасти, проходящей аэродинамическую тень башни. Таким образом, надо ожидать, что эффективность съема энергии ветра лопастями установок обоих типов будет примерно одинаковая.

Необходимо отметить, что у малых (до 5 кВт) ветроустановок ГРЦ-Вертикаль угол атаки выставляется оптимальным образом, в зависимости от ветровой обстановки региона, в котором будет работать ВЭУ.
В крупных установках угол атаки может регулироваться в зависимости от режима работы. При трогании угол атаки должен быть больше, а по мере увеличения угловой скорости уменьшаться. Такая система серьезно повышает эффективность, хотя и ведет к соответствующему удорожанию.

СТЕПЕНЬ БЫСТРОХОДНОСТИ

Среди горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ наибольшее распространение получили быстроходные (до 5-7 модулей) установки с числом лопастей менее четырех. Они обеспечивают наивысший коэффициент использования энергии ветра, т. е. наиболее эффективны. Высокая степень быстроходности предполагает использование значительно усложняющих конструкцию ВЭУ специальных устройств и систем для ограничения угловой скорости вращения в определенных жестких пределах и предотвращения разноса ветроколеса и трансмиссии. Постоянство довольно высокой рабочей скорости вращения обусловливает упрощение трансмиссионных связей ветроколеса с генератором и достаточно высокое качество электроэнергии без усложнения преобразующих электрических схем.

В то же время постоянство рабочей скорости вращения, ограниченной прочностью лопастей на инерционную нагрузку, означает ограничение рабочих скоростей ветра (обычно в пределах 12—15 м/с) и работу ветроустановки в оптимальном режиме только при определенном ветре, что, естественно, несколько снижает эффективность установки.

Для горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ с турбинами больших диаметров возрастает влияние некомпланарности скорости ветра по высоте и воздействия гравитационных сил, вызывающих пульсирующие нагрузки в материале лопасти, в опорных устройствах трансмиссий и в самих трансмиссиях. Эти влияния и воздействия тем ощутимее, чем выше быстроходность, предопределяющая повышенное внимание к динамической устойчивости работы всех вращающихся элементов, повышенные требования к прочности конструкции и точности ее изготовления, к качеству сборки, смазке и балансировке вращающихся деталей и узлов.

С этой точки зрения трудно переоценить вертикально-осевую схему, принципиально обеспечивающую ВЭУ тихоходную работу. Во всех известных экспериментах, в том числе и в тех, которые были направлены на поиск средств достижения максимально возможного коэффициента использования энергии ветра, быстроходность не превышала 2.5-2.8 модулей. Значение этого обстоятельства станет особенно понятным, если учесть, что все энергетические характеристики (в том числе и коэффициент использования энергии ветра) вертикально-осевых ВЭУ остаются на уровне этих характеристик горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ. Снижение быстроходности (в 2-3 раза) — это резкое улучшение условий эксплуатации механизмов благодаря снижению уровня динамичности, упрощения требований к опорно-трансмиссионным элементам, исключение необходимости в механизмах и системах, обеспечивающих постоянство скорости вращения. Снижение быстроходности позволяет работать с оптимальным коэффициентом использования энергии ветра при всех значениях скорости ветра, входящих в рабочий диапазон, т.е. повысить эффективность ВЭУ при довольно простой конструктивной схеме лопасти. Рабочий диапазон скоростей ветра на тихоходных ветроустановках расширяется до 20—25 м/с. Однако при всем этом необходимо иметь в ввиду, что при тихоходности повышаются крутящие моменты, что приводит к увеличению материалоемкости лопастей ветротурбины в целом за счет длинных траверс, габаритной ступицы и массивных трансмиссий. Необходимо также учитывать, что переменность частоты вращения ветротурбины предполагает введение в электрическую схему преобразователей в целях повышения качества вырабатываемой электроэнергии и согласования ее качества с качеством сетевой энергии.

Принципиально вертикально-осевая ВЭУ с прямыми лопастями может быть быстроходной, ограничением является прочность лопастей па поперечные инерционные нагрузки и вибронагрузки. Тенденция разработки все более и более прочных, легких и дешевых композиционных материалов открывает перспективы создания быстроходных прямолопастных ветродвигателей типа Дарье.

РАЗМЕЩЕНИЕ ГЕНЕРАТОРА И МУЛЬТИПЛИКАТОРА

Бесспорно большим преимуществом вертикально-осевых ВЭУ является возможность размещения генератора и мультипликатора на фундаменте установки, исключения угловой передачи крутящего момента. Это позволяет отказаться от мощной, вероятнее всего многопоточной угловой передачи крутящего момента, упростив требования к монтажепригодности оборудования (исключить ограничения по габариту и массе) и к условиям эксплуатации (отсутствие толчков и вибраций). При размещении оборудования на фундаменте резко улучшаются условия его монтажа и эксплуатации, упрощается передача вырабатываемой электроэнергии.

В горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ избегают вводить угловую передачу и размещают оборудование во вращающейся гондоле. При этом неизбежны сложности в связи с повышением требований к монтажепригодности оборудования, условиям его эксплуатация, а также при организации подъема оборудования и его эксплуатации в верхнем положении. Немало трудностей вызывает и передача электроэнергия от вращающегося вместе с гондолой генератора. Для того, чтобы избежать скручивания силовой шины, необходимо ограничивать поворот гондолы, вводить коллекторную передачу либо отсоединять и раскручивать шину. Во всех этих случаях в конструкцию ветроустановки вводятся дополнительные устройства, усложняющие ее.

Необходимо отметить, что передача крутящего момента на уровень фундамента связана с введением длинного трансмиссионного вала, однако обусловленное этим усложнение конструкции вполне компенсируется преимуществами нижнего размещения оборудования, даже в том случае, если вал будет послередукторным, т. е. быстроходным. При доредукторном (тихоходном) исполнении длинный вал особых конструктивных усложнений не вносит.

В ветроустановках ГРЦ-Вертикаль редуктор (мультипликатор) отсутствует, что дает выигрыш в эффективности (при его наличии уменьшается КПД). Генератор и часть силовой электроники расположены непосредственно в корпусе ступицы, что, с одной стороны, усложняет обслуживание, а с другой стороны улучшает эффективность.

НАДЕЖНОСТЬ

В горизонтальных пропеллерных ВЭУ удачно используются достижения авиационной техники, в частности в области проектирования лопастей, систем управления углами их установки, трансмиссий. Следовательно, есть все основания полагать, что эти установки достаточно отработаны и их надежности могут быть даны далеко не низкие оценки. Тем не менее, очевидно, что после отработки вертикально-осевые ВЭУ, особенно агрегаты большой мощности, обещают более высокую надежность. Основанием для такого суждения являются значительное упрощение их конструкции, снижение уровня требований к изготовлению трансмиссий, упрощение условий монтажа и эксплуатации и т. д., что обусловлено следующими особенностями этих установок: отсутствие механизмов и систем управления поворотом гондолы на ветер, размещение генератора и мультипликатора на фундаменте, отсутствие необходимости в устройствах и системах управления углом установки лопастей, отсутствие проблем с передачей электроэнергии от генератора.

Необходимо отметить, что высокий уровень надежности сложной конструкции предполагает высокий уровень развития технологии. Этот фактор очень важен для оценки оптимальности вариантов кооперации различных предприятий по изготовлению отдельных узлов и агрегатов установок. Если учесть сказанное, трудно предположить, что значительно более простая и надежная конструкция ветроустановки окажется более дорогостоящей, несмотря на ее несколько большую материалоемкость.

МОЩНОСТЬ

В последние годы в мировой ветроэнергетике наблюдается тенденция к увеличению единичной мощности ВЭУ, что объясняется следующими факторами. Ввиду того что с ростом мощности установки снижается стоимость электроэнергии, получаемой с 1 м2 ометаемой поверхности, уменьшаются расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание установки, сокращаются площади отчуждаемых земельных участков, растет и эффективность ВЭУ.

Однако укрупнение горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ малоэффективно. Оно имеют верхний предел мощности в З-4 МВт, так как на их лопасти помимо центробежных действуют изгибающие силы, переменные по величине и направлению, что ограничивает размеры лопастей, существенно снижает надежность горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ и сокращает сроки их эксплуатации. Поэтому переход на большие мощности предполагает качественное изменение конструкции ВЭУ. В свете этого наиболее предпочтительным решением является вертикально-осевая схема, теоретический предел мощности которой по современным представлениям на порядок выше теоретического предела мощности горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ.

РАСЧЕТНАЯ СКОРОСТЬ ВЕТРА

Как уже отмечалось выше, расчетная скорость ветра горизонтально-осевых пропеллерных ВЭУ обычно находится в пределах 12—15 м/с по условию прочности лопастей на инерционную нагрузку. Произведенные объединением Гидропроект расчеты по определению расчетных скоростей ветра на основании данных более 200 метеостанций России о ветровом потенциале выявили ряд районов (на восточном побережье Северного Ледовитого океана, Охотского моря, в Приморье, на Камчатке, Курильской гряде, в горах Казахстана, Кавказа, Крыма и др.), где экономически обоснованными являются расчетные скорости ветра 18-20 м/с и рабочий диапазон скоростей ветра высокой обеспеченности — до 30 м/с. Как показали исследования казахских специалистов, проведенные для района Джунгарских ворот (здесь при среднегодовой скорости ветра 8 м/с преобладает ветер со скоростью более 15 м/с), начальная скорость ветра слабо влияет на уровень используемой энергии. Так, при изменении начальной скорости ветра от 4.5 до 7.5 м/с выработка электроэнергии снижается менее чем на 2%. Влияние же расчетной скорости ветра на выработку электроэнергии весьма велико. Например, увеличение расчетной скорости ветра с 10.4 до 20 м/с приводит к увеличению выработки более чем в 4 раза. Это свидетельствует о том, что для районов с высоким ветровым потенциалом значения расчетной скорости ветра, принимаемые для обычных ВЭУ, оказываются недостаточными, так как при этом окажутся недоиспользованными слишком большие ветроэнергетические ресурсы.

Как было указано выше, рабочий диапазон скоростей ветра для тихоходных вертикально-осевых ВЭУ повышается до 20-25 м/с, в связи с чем в районах с высоким ветровым потенциалом без всякого сомнения вертикально-осевые ВЭУ заведомо предпочтительнее.

Ветрогенераторы (ветроустановки) ГРЦ-Вертикаль работают в диапазоне скоростей ветра 4-60 м/с, при номинальной (рабочей) скорости 10.4 м/с. По достижении номинала скорость ВЭУ стабилизируется за счет аэродинамических тормозов.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ

Тихоходные вертикально-осевые ВЭУ с точки зрения воздействия на окружающую среду имеют преимущества перед быстроходными горизонтальными пропеллерными: при их работе ниже все уровни аэродинамических и инфрашумов, вибрации, меньше теле- и радиопомехи, меньше радиус разброса обломков лопастей в случае их разрушения, ниже вероятность столкновения лопастей с птицами.

В частности, уровень шума ветрогенераторов ГРЦ-Вертикаль находится в пределах 40-50 Дб в непосредственной близости к ВЭУ, а на расстоянии 10 метров заглушается шумами окружающей среды. Для сравнения, шум вентилятора компьютера составляет 50 Дб. Электромагнитные колебания практически отсутствуют, в связи с чем данные ветроустановки можно размещать вблизи коммуникационных центров (в т. ч. аэропортах), где требования к чистоте эфира достаточно высоки в связи с присутствием навигационного оборудования.

Горизонтальные и вертикальные вибросмещения мачты и ступицы, возникающие при действии аэродинамических и инерционных возмущающих сил, могут также явиться последствием дисбаланса (смещения центра масс) ротора. Большинство исследований виброколебаний вертикально-осевых установок, служащих основной причиной возникновения шумов и инфразвука, было проведено в ООО “ГРЦ-Вертикаль”. В отличие от горизонтально-осевых пропеллеров малой мощности (до 10 кВт), вызывающих вертикальные вибросмещения амплитудой до 5 мм, ВЭУ “ГРЦ-Вертикаль” генерируют вибросмещение до 0.2 мм, что не оказывает существенного влияния на фундамент или сооружение, на котором расположена ВЭУ. Более того, согласно применимым ГОСТам и СНиПам такие ВЭУ можно располагать на жилых, офисных и производственных зданиях, не говоря о сложных инженерных сооружениях (мосты, фермы, и т.д.).

ХАРАКТЕРИСТИКИ МАССЫ

Для приведенной ниже сравнительной оценки рассматривались характеристики трех ветроустановок: NEWECS-45 (Голландия), ВТО- 1250Б (Россия), предварительный проект установки Д. де Рензо (США), из которых ВТО- 1250Б является вертикально-осевой:

ХАРАКТЕРИСТИКИ NEWECS-45 ВТО-1250Б Д. де Рензо
Установленная мощность, МВт 1 1.25 1.5
Расчетная скорость ветра, м/с 14.1 20 11.5
Массовые характеристики, кг:
     ветроколесо, в том числе: 40000 17430
            — лопасть 3000 4000 2580
            — втулка (ступица) 19000 8000 12270
            — траверса 16000
     система передачи момента, в том числе: 16000 35180
            — редуктор 2000  10000 20860
            — прочее  — 6000 14320
     электрическая система, в том числе: 10000
            — генератор  3000 5000 6950
     опорная башня  70000 70000 69360
     прочие системы  — 6000
Общая масса, кг 142000 136000 128940

Необходимо отметить, что массовые характеристики предварительного проекта установки Д. де Рензо получены расчетным путем на основании теоретических методик, и при рабочем проектировании с учетом конкретных конструктивных и технологических требований реальные характеристики ветроустановки будут конечно выше.

Из приведенных данных видно, что рабочие органы (лопасть, траверса) ветроколеса горизонтально-осевой пропеллерной установки легче вертикально-осевой, однако втулка (ступица) у них значительно тяжелее. Система передачи момента легче у вертикально-осевой установки, даже несмотря на наличие в ряде случаев трансмиссионного вала. Массы электрической системы и опорной башни установок обоих типов примерно одного порядка.

Общая масса рассмотренных установок находится примерно на одном уровне с небольшим преимуществом вертикально-осевой ВЭУ благодаря отсутствию гондолы, механизмов и систем ориентации на ветер и поворота лопастей.

В ветроустановках ГРЦ-Вертикаль трансмиссионный вал отсутствует, что создает дополнительное преимущество этих установок перед остальными вертикально-осевыми ВЭУ.

В сложном сочетании свойств, чаще всего двойственно характеризующих каждый из типов ВЭУ, невозможно разобраться методами их качественной оценки (тяжелее-легче, сложнее-проще, эффективно-неэффективно). Необходим количественный анализ всего комплекса характеристик ВЭУ на основе теоретических и модельно-экспериментальных исследований с получением данных об эффективности ветроустановок обоих типов в экономической и метеорологической обстановке конкретного региона.

Если сравнивать с требованиями к ветроэлектрическим установкам средней мощности (до 1 МВт), то требования к установкам мегаваттного класса более высокие, в первую очередь в части потребительских свойств (надежность, экологическая чистота, удобство обслуживания и ремонта, простота конструкции, срок эксплуатации и т.п.). Учитываются и такие важные свойства, как экономическая эффективность, стоимость строительства, затраты на эксплуатацию и т. п. Этим требованиям в наибольшей степени удовлетворяют вертикально-осевые ВЭУ, не уступающие горизонтально-осевым пропеллерным по энергетическим характеристикам, но отличающиеся свойствами, которые могут обеспечить снижение себестоимости электроэнергии в районах с повышенным ветровым потенциалом.

По оценкам экспертов установки ГРЦ-Вертикаль малой мощности также имеют преимущество перед горизонтально-осевыми ВЭУ.

Если рассуждать в самом общем плане, то необходимо подчеркнуть, что одной схемой, как и одним типоразмером ВЭУ, не удовлетворить потребности всех регионов даже одной страны. Ветроэнергетика как подотрасль энергетики станет конкурентоспособной только при условии развития различных направлений, способных создать государственный рынок ветроэнергетической техники.

Вертикальный ветрогенератор

Почему вертикальный ветрогенератор именуют вертикальным?

Тот ветряк, который мыслят себе чаще всего и в первую очередь – это ветрогенератор в виде пропеллера. Многие даже не подозревают, что существуют какие-то другие. На самом же деле ветрогенераторы бывают и другого вида. Одни напоминают вращающуюся колонну, другие — цепочную карусель как в парке аттракционов. Только на месте цепочек располагаются вертикально расположенные лопасти. Такие ветрогенераторы называют вертикальными. Почему вертикальными? – Потому, что ось вращающегося генератора смотрит вверх, то есть, расположена вертикально.

В чём состоял замысел вертикального ветрогенератора

Ветрогенераторы с вертикальной осью вращения имеют конструкцию более сложную. Ведь вертикально установленные лопасти нужно удерживать в этом положении, причём надёжно удерживать на расстоянии от оси вращения. Зачем же тогда разрабатывали и внедряли такой агрегат?

Основными идеями, согласно которым создавался ветрогенератор ветрикально осевой, были следующие. Первая в том, что поскольку лопастям вертикалки всё равно с какой стороны на них дует ветер, всю конструкцию не нужно разворачивать к ветру как это делает флюгер. За счёт этого ветряку не нужно подстраиваться под меняющееся направление ветра в ходе которого теряется часть энергии.

Вторая, — тихоходность, а, следовательно, малошумность установки. Поскольку большие обороты здесь недопустимы, шум от вращающихся частей заметно ниже. А значит такой ветряк безо всяких опасений может быть установлен в городе и местах жилой застройки.

Третья идея, — большая устойчивость вертикального ветрогенератора к буревым ветрам. Этому способствует и эффект волчка, затрудняющий отклонение ротора от оси вращения. И то, что лопасти постоянно уходят от ветра. А в заторможенном состоянии плоскость лобового столкновения лопастей с ветром ниже, чем у горизонталки.

Технические особенности роторных ветрогенераторов последних моделей

Прежде всего, отметим, что наибольшее распространение получили и серийно выпускаются роторные ортогональные ветрогенераторы. Его вид представлен на фото.

В новейших моделях установок получили реализацию следующие новшества. В первую очередь, — это трёхярусный ротор. Лопасти такого ротора стали более лёгкими, крепление их более надёжно и распределены они более равномерно по радиусу.

Другим новшеством является каркасное оформление ветряка. Здесь низ и верх ротора имеют опоры. Соответственно его вращение более ровно и сам он надёжнее. Каркас позволяет устанавливать вертикальные ветрогенератор даже без мачты просто на плоскую поверхность или даже землю. А, будучи закреплённым, на подставке он особенно хорош для монтажа на плоской крыше. Также на подставке могут быть закреплены солнечные батареи.

Чтобы точнее выбрать и купить ветрогенератор посетите наш каталог.

Ветрогенераторы

Вертикальные ветрогенераторы (с вертикальной осью вращения) бесшумные, инерционные, оптимально адаптированные к погодным условиям Украины. На сегодняшний день вертикальные ветрогенераторы являются одной из самых эффективных разработок.

Основными преимуществами вертикальных ветрогенераторов является простота монтажа, доступность во время эксплуатации и круглогодичная работа без снижения производительности в осенне — зимний период. Они не зависят от направления ветра и их можно устанавливать прямо на уровне земли, что значительно сокращает расходы.

Преимущество ветроэлектростанций в том, что они занимают меньшую площадь, чем солнечные электростанции. Так, для ВЭС мощностью 1 МВт понадобится всего 30-50 соток земли, тогда как для СЭС аналогичной мощности – около двух гектаров. ВЭС могут быть максимально приближены к точкам подключения: ВЭС более 20 МВт может находиться в 700 м от населенных пунктов, бытовая 150 кВт – всего в 40 метрах (согласно ДСТУ). Ветрогенераторы, в отличие от СЭС, разрешено размещать на землях сельскохозяйственного назначения (имеется процедура выделения участка). Поэтому рождается новая группа производителей энергии из возобновляемых источников – фермеры, аграрии.

Эти новации делают проекты по строительству и вводу в эксплуатацию ВЭС  до 5 МВт, для продаж по «зеленому» тарифу, привлекательными для инвесторов.

Энергия ветра

Ветер образуется в результате гигантских конвекционных потоков в атмосфере Земли, движущихся тепловой энергией от Солнца. Это означает, что кинетическая энергия ветра является возобновляемым энергетическим ресурсом — пока Солнце существует, ветер тоже будет существовать.

Ветровые турбины используют ветер для непосредственного управления турбинами. Они имеют огромные лопасти, установленные на высокой мачте. Лопасти соединены с «гондолой», или корпусом, который содержит шестерни, связанные с генератором. Когда ветер дует, он передает часть своей кинетической энергии лопастям, которые вращаются и двигают генератор. Несколько ветрогенераторов могут быть сгруппированы в ветреных местах для формирования ветровых электростанций.

Преимущества

  • Ветер — это возобновляемый энергетический ресурс, и расходы на топливо отсутствуют.
  • Вредных загрязняющих газов не производится.
  • Возможность размещения в труднодоступных местах.
  • Требуют малой площади и вписываются в любой ландшафт.
  • Получение бесплатной электроэнергии в долгосрочной перспективе, отсутствие затрат на топливо и его доставку.
  • Автономность — независимость от состояния и работы внешних электрических сетей.

Недостатки

  • Количество произведенной электроэнергии зависит от силы ветра.

Типовой состав системы энергообеспечения на базе ветрогенератора
  • Ветроэлектрическая установка (ветрогенератор, ВЭУ) — вырабатывает «грубую» электроэнергию с нестабильными параметрами, зависящими от скорости ветра.
  • Мачта — служит для установки ВЭУ на такой высоте, где ветровой поток не затеняется препятствиями и имеет достаточную скорость.
  • Аккумуляторная батарея (АКБ) — является буфером, согласующим графики выработки и потребления энергии.
  • Контроллер заряда АКБ — защищает АКБ от перезаряда, ограничивая зарядный ток и напряжение.
  • Инвертор — преобразует постоянное напряжение в переменное ~220В.
  • Зарядное устройство — при необходимости заряжает АКБ от внешней сети ~220В.
  • Сетевая автоматика — следит за состоянием сети и, по заданному алгоритму, подключает нагрузку к сети либо к инвертору.

Комбинация солнечной и ветровой генерации

Комбинировать солнечные и ветровые электростанции полезно. Уже просто по той причине, что ветровые электростанции, в отличие от солнечных, работают ночью. Да и сезонные колебания снижаются. Во многих регионах солнечные электростанции зимой вырабатывают гораздо меньше, чем летом, а ветровые, наоборот, более продуктивно функционируют зимой. То есть комбинация позволяет сглаживать суточные и сезонные колебания, повысить надёжность системы и снизить потребность в системах накопления энергии и балансировочных мощностях для интеграции переменных ВИЭ.

Наша компания предоставляет полный спектр услуг по проектированию, установке и сервисной поддержке систем с альтернативными источниками энергии — ветрогенераторами, солнечными модулями, гелиосистемами, тепловыми насосами.

        

Многополюсность генератора говорит о его тихоходности, позволяя получить номинал на малых оборотах ветрогенератора и полностью отказаться от редукторов, коллекторных щеток и использовать метод магнитной левитации при его вращении. Наше крыло успешно прошло испытание по аэродинамике и показало лучший результат по страгиванию, а именно — уже при скорости ветра в 0,17 м/с происходит старт нашего ветрогенератора и устойчивая зарядка АКБ с 2м/с (в отличие от аналогов, которые стартуют при скорости ветра от 5 м/с). Благодаря новой форме крыла и снижению его веса мы добились снижения скорости ветра для достижения номинальной мощности ветрогенератора с 5 м/с до 3 м/с. Собираются ветрогенераторы различной мощности от 250 Вт до 32 кВт

Характеристики вертикальных ветрогенераторов

Ветрогенератор/СпецификацияVE-microVE-miniVE-1VE-1.5VE-2VE-3
Номинальная мощность, кВт0.250.511,523
Максимальная мощность, кВт0.751.534,559
Пусковая скорость ветра, м/с0.30.30,40,70,80,9
Скорость ветра для устойчивой зарядки АКБ, м/с2222,52,52,5
Скорость ветра для номинальной мощности, м/с888888
Диаметр ветроколеса, м11. 32344,8
Высота крыла, м234445
Вес ветроколеса, кг204580170250360
Кол-во крыльев, шт335555
Стоимость, $73513652730409552507875

Номинальная количество вырабатываемой электроэнергии следующая:

ПродукцияКол-во энергии за час, кВтКоличество энергии за месяц, кВтКол-во энергии за год, кВт
VE-33216025920
VE-22144017280
VE-1. 51.5108012960
VE-117208640
VE-mini0.53604320
VE-micro0.251802160

Преимущества вертикальных ветрогенераторов над традиционными

    • Применение инновационных бесшумных и безвибрационных технологий
    • Применения высокоэффективных методов получения и преобразования энергии ветра в электрическую
    • Оптимальный профиль лопасти ветроколеса позволяет достичь КПД крыла близкий к идеальному, независимо от направления ветра (независимое «наведение» на направление ветра)
    • Ветрогенератор вертикального исполнения не требует регламентного обслуживания и ремонта. Конструкция не содержит деталей с трущимися поверхностями за исключением упорного подшипника ветрокрыла, имеющего трехсоткратный запас прочности
    • Высоко устойчивый к сильному ветру, достаточно устойчив, чтобы выдержать ураганный ветер
    • Контроллерно-преобразующая система позволяет заряжать аккумуляторную батарею при самых малых оборотах генератора. Это обеспечивает возможность потребления ранее выработанной энергии в период безветрия
    • Требует минимум пространства для размещения, абсолютно безвреден ввиду отсутствия излучения, вибрации и шумовой нагрузки
    • Возможность установки без ущерба ландшафтным видам, безопасный для птиц дизайн
    • Быстрая установка и обслуживание
    • Главным преимуществом ВЭУ является ее независимость от магистральных энергетических сетей, автономность производства и потребления электроэнергии. Относительная простота устройства, универсальность оборудования, доступность транспортировки и монтажа позволяют возводить ветроэнергетические станции в самых недоступных, отдаленных от энергоснабжения районах.

Купить ветрогенератор в Днепре

Горизонтальные ветрогенераторы

Ветрогенератор с горизонтальной осью вращения, имеет две или три лопасти, установленные на вершине мачты — наиболее распространенный тип ветроустановок ВЭУ. Современные горизонтальные ветрогенераторы представляют собой установку, которая служит для переработки кинетической энергии ветра в механическую энергию с помощью лопастей, а потом в электрическую при помощи электрического генератора. Ветрогенераторы могут использоваться как для промышленного производства электроэнергии, так и для бытового. Ветрогенераторы промышленного назначения имеют достаточно большую мощность, а в одном таком ветропарке могут устанавливаться до нескольких сотен ветряков. Для бытового использования, как правило, устанавливается один ветрогенератор, подключенный к системе домашнего электроснабжения, которая включает в себя также накопительные аккумуляторы.

Основные характеристики ветрогенератора

Ветрогенератор СВ-4.4/400

Ветрогенератор СВ-6.7/1000

Диаметр ветротурбины: 4,4 м

Ометаемая площадь: 15.2 м2

Выработка энергии за месяц: 250-500 кВт·Ч

Стартовая скорость ветра: 2-3 м/с

Расчетная скорость ветра: 8 м/с

Макс. скорость ветра: 40-50 м/с

Номинальная частота вращения: 230 об/мин

Напряжение генератора: 48 В

Номинальная мощность (при 8 м/с): 1600 Вт

Рекомендуемая высота мачты: 17-23 м

Диаметр ветротурбины: 6. 7 м

Ометаемая площадь: 35.3 м2

Выработка энергии за месяц: 600-1200 кВт·Ч

Стартовая скорость ветра: 2-3 м/с

Расчетная скорость ветра: 8 м/с

Макс. скорость ветра: 40-50 м/с

Номинальная частота вращения: 145 об/мин

Напряжение генератора: 48 В

Номинальная мощность (при 8 м/с): 4000 Вт

Рекомендуемая высота мачты: 21-27 м

3 800 у.е.7 600 у.е.

 

Наши специалисты помогут Вам выбрать ветрогенератор, максимально соответствующий по своим техническим характеристикам Вашим потребностям, поставят и соберут его на Вашем объекте, а также предоставят Вам все необходимые консультации по работе ветряной установки. Монтаж оборудования может осуществляться как специалистами нашей компании, так и самостоятельно.

В случае монтажа Вашими специалистами наша компания готова предоставить услугу шефмонтажа и обеспечивает Вас техническим и информационным сопровождением.

Скорость ветра в Днепре по месяцам

Карта распределения ветра на территории Украины

Ветровая турбина с вертикальной осью – обзор

2 Анализ концепции гусеничной машины

Другой тип VAWT, концепция аэродинамического профиля гусеничной машины, привлек значительное внимание двух исследователей. Одной из работ является работа Пауи и его сотрудников, кратко изложенная в работе Пауи (1977 г. и аналогично в работе Пауи и др. , 1974 г.), в которой представлено приблизительное сравнение характеристик с пропеллерным типом. Другой принадлежит Лапину (1976), который также сообщает о параллельном исследовании концепции Мадараса с использованием ротора Флеттнера и сравнивает эти две системы.

Лапин представляет свой аэродинамический анализ со значительными подробностями, следуя общим направлениям теории количества движения и элемента лопасти в теории пропеллерного типа для типа аэродинамического профиля и используя отношение скоростей α = ω R/V ≡ скорость вращения ротора/скорость ветра в месте расположения ротора, соответствующем эквиваленту угла атаки, для вращающегося ротора типа Флеттнера. Анализ выполнен для соотношений сторон 4, 6 и 9 с использованием оптимального падения для максимального крутящего момента в каждом угловом положении, выбранном для расчета вокруг дорожки.Данные по крыльям для C L и C D (включая индуктивное сопротивление) доступны и надежны для известных аэродинамических профилей, но данные для несущих винтов скудны и ненадежны в той степени, в которой они сопоставимы с данными для крыльев. Лапин использует то, что доступно, но подчеркивает, что необходимы дополнительные экспериментальные значения. Большинство расчетов относится к круговой трассе, но очевидно, что линейная трасса, перпендикулярная ветру, даст значительно больший результат. Таким образом, сглаженный овал или гоночная трасса лучше подходят для ветра преимущественно с одного направления, поскольку движущий эффект сохраняется на самом высоком уровне на более длинной части трассы.Подробно рассматривается потеря мощности из-за тандемного расположения роторов, т. е. различия в производительности в положениях выше по потоку и в положениях ниже по потоку. Анализ основан на принципах теории тандемного исполнительного диска, как описано в Разделе II, B, но отношения довольно трудно обрабатывать напрямую. Однако дана вычислительная процедура, и процедура выполняется полуграфически. Рабочие характеристики приведены для этой потери мощности, а также для случая отсутствия потерь, т. е. в предположении, что смешивание положений против ветра и против ветра восстанавливает состояние набегающего потока.

Компания Lapin учитывает значительные дополнительные силы сопротивления из-за нетрадиционной системы. Это силы трения качения из-за (1) веса ротора, тележки и т. д. и (2) поперечной силы. Используются коэффициенты трения качения из технологии грузовых железнодорожных вагонов. Поперечная сила вычисляется с точки зрения выражений аэродинамической силы и, таким образом, зависит от положения. Максимальная поперечная сила важна для расчета структурных напряжений и опрокидывающего момента. Существует также сопротивление тележки, которое рассчитывается с коэффициентом сопротивления, равным площади аэродинамического эквивалента плоской пластины, принятой как инвариантная с углом потока и интегрированной по контуру для изменения углового положения. Он приводит примеры общих коэффициентов мощности и потерь мощности для различных параметров системы. Лапин упоминает о неблагоприятном влиянии системы гусеничных машин, которая должна работать при более низких скоростях ветра у земли из-за пограничного слоя, но не включает в свои данные какой-либо конкретный фактор для этого.

Powe (1977; Powe и др. , 1974) начинает с анализа импульса контрольного объема для системы гусеничных транспортных средств с аэродинамическим профилем, принимая во внимание изменение скорости из-за влияния земли, и показывает, что теоретически это Этот тип турбины будет давать примерно на 19% больше мощности, чем турбина пропеллерного типа, при этом каждый блок имеет среднюю точку общего размаха лопастей H на высоте H /2 над землей. Для систем с средней точкой лопасти, поднятой выше этой минимальной высоты, концепция аэродинамического профиля гусеничного транспортного средства дает примерно на 26% больше мощности, чем винт соответствующего типа.Это его основа для исследования этого типа WECS.

В анализе учитывается только трасса с уплощенным овалом (гоночная трасса), без учета мощности на поворотах. В двух статьях Powe (1977; Powe и др. , 1974) аэродинамический анализ минимален и проблема значения интерференционного фактора a и фактического значения скорости потока диска не решается. обсуждалось. Было исследовано несколько аэродинамических профилей из серии NACA, при этом для детальных расчетов был выбран широко распространенный тип 0012 с использованием поправок на конечное удлинение.Сопротивление системы классифицируется как два сопротивления качению из-за вертикальных и горизонтальных сил на пути, сопротивление из-за кривизны пути и аэродинамическое сопротивление. Простое выражение для сопротивления качению было взято из железнодорожной литературы в терминах веса, при этом вес принимался с учетом аэродинамических сил подъемной силы и сопротивления, которые создают момент, вызывающий вертикальную силу, действующую на путь. Аэродинамическое сопротивление вагонов было разбито на значение для ведущего вагона как у обтекаемого локомотива, с остальными как у обтекаемых вагонов и третье значение у необтекаемых вагонов, используемых для поворотов.

Расстояние между аэродинамическими профилями учитывалось, при этом оценка производилась с вертикальными осями соседних аэродинамических профилей, разнесенными на одну хорду. Это было основано на соображении минимального расстояния, чтобы минимизировать площадь земли и длину гусеницы, а также на том факте, что оси аэродинамического профиля должны быть разнесены как минимум на одну хорду, чтобы вращаться на поворотах. Эффект неполного восстановления был учтен в одном конкретном расчете путем принятия значения скорости ветра по ветру как 75% значений скорости набегающего потока.Влияние изменения скорости и направления ветра на фактическую выработку энергии за определенный период времени оценивалось с использованием данных с базы ВВС в Монтане, поскольку были доступны подробные значения за 25-летний период.

Была составлена ​​компьютерная программа с параметрами системы геометрии и веса, аэродинамическими характеристиками и спектром ветра в качестве входных данных. Выход дается в общем виде как энергия в месяц и как энергия в месяц на единицу площади, причем площадь представляет собой как общую охватываемую площадь, включая обороты, так и единицу площади лопасти.Четвертая выходная цифра — это энергия в месяц на единицу веса системы. Другими выходными данными, вычисляемыми, но не цитируемыми, являются скорости каретки, углы атаки и т. д., относящиеся к анализу производительности компонентов и условий эксплуатации.

Характеристики этих систем гусеничных машин Lapin и Powe et al. будет обсуждаться позже.

Ветряные турбины с вертикальной осью и ветряные турбины с горизонтальной осью

В бизнесе ветряных турбин есть в основном два типа турбин на выбор: ветряные турбины с вертикальной осью и ветряные турбины с горизонтальной осью.Они оба имеют свои преимущества и недостатки, и цель этой статьи — помочь вам выбрать правильную систему для вашего приложения.

Ветродвигатель с горизонтальной осью

Ветродвигатели с горизонтальной осью доминируют в большей части ветроэнергетики. Горизонтальная ось означает, что ось вращения ветряной турбины горизонтальна или параллельна земле. При большом ветре ветряные турбины с горизонтальной осью — это почти все, что вы когда-либо видели. Тем не менее, в небольших ветряных установках и в жилых домах турбины с вертикальной осью имеют свое место.Преимущество горизонтального ветра в том, что он способен производить больше электроэнергии из заданного количества ветра. Поэтому, если вы пытаетесь создать как можно больше ветра в любое время, горизонтальная ось, вероятно, будет для вас лучшим выбором. Однако недостатком горизонтальной оси является то, что она обычно тяжелее и плохо работает при турбулентном ветре.

Ветряная турбина с вертикальной осью

В комплект входит ветряк с вертикальной осью. У ветряных турбин с вертикальной осью ось вращения турбины стоит вертикально или перпендикулярно земле. Как упоминалось выше, турбины с вертикальной осью в основном используются в небольших ветровых проектах и ​​в жилых помещениях. Турбины с вертикальной осью приводятся в действие ветром, дующим 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 непостоянны, или из-за государственных постановлений турбина не может быть размещена достаточно высоко, чтобы использовать постоянный ветер.


Рубрики: Строительство, Проекты

 


Ветряные турбины с вертикальной осью Преимущества и недостатки

Когда люди думают о ветряных турбинах, они часто представляют себе большие 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 несущего винта самолета. Генератор обычно размещается у основания башни.

Используемые реже, чем их горизонтальные аналоги, VAWT более практичны в жилых районах.Две распространенные конструкции включают турбину, которая напоминает две половины барабана на 55 галлонов, каждая из которых прикреплена к вращающемуся элементу (ротор Савониуса), и меньшую модель, которая чем-то напоминает взбиватель яиц (модель Дарье). Чаще используются модели Savonius, которые пропускают воздух через ступицу для вращения генератора; турбина вращается за счет вращательного момента, когда воздух проходит через лопасти.

Устройство имеет две или три лопасти и может быть короче и ближе к земле, чем горизонтальная система.Giromill также имеет конструкцию взбивалки для яиц, но имеет две или три прямые лопасти на вертикальной оси. Спиральные лезвия представляют собой еще одну конструкцию, которая напоминает структуру, подобную ДНК. Как правило, ветряные турбины с вертикальной осью имеют свои преимущества и недостатки по сравнению с альтернативными конфигурациями.

VAWT Преимущества

Эти турбины имеют меньше деталей, чем те, которые ориентируют поворотный механизм и лопасти горизонтально. Это означает, что меньше компонентов изнашиваются и ломаются.Кроме того, опорная сила башни не должна быть такой большой, потому что редуктор и генератор находятся близко к земле. Детали для управления тангажем и рысканьем также не нужны.

Турбина также не обязательно должна быть направлена ​​против ветра. В вертикальной системе поток воздуха с любого направления и скорости может вращать лопасти. Таким образом, систему можно использовать для выработки электроэнергии при порывистом ветре и когда он дует стабильно.

Другие преимущества включают в себя:

  • Безопасность для рабочих: обслуживающему персоналу не нужно подниматься так высоко, чтобы добраться до частей градирни.VAWT не только короче. У них также есть основные компоненты 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 также не нужны.

  • Масштабируемость: конструкция может быть уменьшена до небольших размеров, даже таких маленьких, которые поместятся 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 простая установка по сравнению с другими типами ветряных турбин.

  • Возможность транспортировки из одного места в другое.

  • Оснащен низкоскоростными лезвиями, снижающими риск для людей и птиц.

  • Функционирует в экстремальных погодных условиях, при переменном ветре и даже в горных условиях.

  • Допустимо там, где запрещено использование более высоких конструкций.

  • Работает тише, не мешает людям в жилых кварталах.

По данным Института инженеров-механиков, ветряные турбины с вертикальной осью больше подходят для установки в более плотных массивах. До 10 раз короче, чем горизонтальные модели, они могут быть сгруппированы в массивы, которые даже создают турбулентность от одной турбины к другой, что помогает увеличить поток вокруг них.Поэтому ветер вокруг каждого ускоряется, увеличивая вырабатываемую мощность. Низкий центр тяжести также делает эти модели более устойчивыми для плавания в морских установках.

Основные преимущества по сравнению с горизонтальными турбинами

Вертикальная конструкция позволяет инженерам размещать турбины ближе друг к другу. Их группы не должны располагаться 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 установок.

В отчете за 2017 год в журнале Journal of Renewable and Sustainable Energy , цитируемом Phys. org, отмечается, что, хотя ветряные турбины с вертикальной осью производят меньше энергии на одну башню, они могут генерировать в 10 раз больше энергии, чем сравнительная площадь земель при размещении в массивах.

Недостатки VAWT

Не все лопасти создают крутящий момент одновременно, что ограничивает эффективность вертикальных систем в производстве энергии.Другие лезвия просто толкаются вперед. При вращении лопасти также испытывают большее сопротивление. Хотя турбина может работать при порывистом ветре, это не всегда так; низкий пусковой крутящий момент и проблемы с динамической стабильностью могут ограничивать функциональность в условиях, для которых турбина специально не предназначена.

Поскольку ветряные турбины расположены ниже земли, они не могут использовать более высокие скорости ветра, которые часто возникают на более высоких уровнях. Если установщики предпочитают возводить конструкцию на башне, то установить ее таким образом сложнее. Однако более практично устанавливать вертикальную систему на ровном основании, например, на земле или на крыше здания.

Вибрация иногда может быть проблемой и даже увеличивать шум, создаваемый турбиной. Воздушный поток на уровне земли может увеличить турбулентность, тем самым увеличивая вибрацию. Это может привести к износу подшипника. Иногда это может привести к увеличению объема технического обслуживания и, следовательно, к увеличению затрат, связанных 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 ударным нагрузкам, которые добавляют боковую нагрузку, что требует постоянного обслуживания и использования более прочных и прочных материалов.

Вертикально или нет

Хотя они производят меньше энергии, чем горизонтальные турбины, ветряные турбины с вертикальной осью по-прежнему производят энергию и могут быть лучшим вариантом в зависимости от области применения. Они больше подходят там, где пространство ограничено, и их обслуживание сопряжено с меньшими проблемами и рисками.Эта конструкция оставалась популярной, поскольку инженеры решали проблемы и находили применение в небольших установках, особенно в городских районах. Со временем инженерные инновации могут повысить эффективность производства энергии VAWT и увеличить преимущества, которые они могут предложить в различных приложениях.

Присоединяйтесь к революции чистой энергии! Узнайте, как ваш дом может извлечь выгоду из энергии ветра.

Действительно ли за ветряными турбинами с вертикальной осью будущее?

Недавно опубликованное исследование Университета Оксфорд Брукс предполагает, что Н-образные турбины Дарье с вертикальной осью (VAWT), установленные определенным образом, могут превзойти «традиционные пропеллерные» ветряные турбины или HAWT на ветряных электростанциях.

При близком расположении парами VAWT увеличивают производительность друг друга до 15%, говорится в пресс-релизе британского института, что вызвало большое внимание средств массовой информации. Деловое издание Forbes писало в мае: «Недавнее открытие инженеров Школы инженерии, вычислений и математики Оксфордского университета Брукса может навсегда изменить конструкцию морских ветровых электростанций».

Но насколько реалистичны прогнозы, полученные в результате двумерного моделирования теоретических ВАВТ с 20-метровыми роторами по сравнению с нынешними «традиционными» оффшорными гигантами? А кто будет их разрабатывать и строить?

Компьютерное моделирование

Исследование «Численное моделирование и оптимизация пар ветряных турбин с вертикальной осью: масштабный подход» было первоначально опубликовано в журнале Elsevier Renewable Energy в марте.Сообщается, что он был первым, кто всесторонне проанализировал многие аспекты производительности ветряных турбин, включая угол решетки, направление вращения, расстояние между турбинами и количество роторов.

Исследовательская группа университета под руководством Яковоса Цанакиса, профессора технологий, дизайна и окружающей среды, использовала обширное компьютерное моделирование для углубленного исследования. «Это исследование свидетельствует о том, что будущее ветряных электростанций должно быть вертикальным», — сказал Цанакис. «Ветряные электростанции с вертикальной осью можно спроектировать так, чтобы они располагались гораздо ближе друг к другу, повышая их эффективность и, в конечном итоге, снижая цены на электроэнергию.В долгосрочной перспективе VAWT могут помочь ускорить экологический переход наших энергетических систем, чтобы более чистая и устойчивая энергия поступала из возобновляемых источников».

Исследователи утверждают, что VAWT в массиве ветряных электростанций не страдают от связанных с HAWT проблем турбулентного следа, создаваемых первым рядом, которые снижают мощность последующих рядов турбин на 40%. Они предполагают, что использование машин с вертикальной, а не горизонтальной осью не только устранит эту проблему, но и фактически улучшит производительность друг друга.

Для исследования использовались два ротора одинакового размера, причем второй ротор располагался ниже по потоку на расстоянии трех диаметров ротора. Максимальное увеличение выходной мощности по сравнению с двумя блоками, работающими по отдельности, было достигнуто при размещении второго ротора под углом 60 градусов (ß) к преобладающему направлению ветра.

Еще одна переменная, которую ввела команда, позволяла двум роторам вращаться либо в одном направлении, либо в противоположных направлениях, в результате чего пара, вращающаяся в противоположных направлениях, работала лучше только при меньших углах расположения от -30 до +30 градусов.Минимальная выходная мощность логически достигается, когда ветер дует прямо на два ротора, расположенных на одной линии относительно преобладающего направления ветра (0 градусов).

Наконец, двумерное пространство было неотъемлемой частью свойств моделирования вычислительной гидродинамики (CFD).

Повышение производительности

Ведущий автор Йоахим Тофтегаард Хансен объяснил, почему группа выбрала для анализа ротор Дарье H-типа с диаметром ротора 20 м: «Другие исследования подтвердили аналогичное повышение производительности для других чисел Рейнольдса [для прогнозирования расхода узоры] тоже. Это то, что мы, возможно, заинтересуем в наших будущих исследованиях, анализируя влияние размера турбины».

Ключевой вопрос заключается в том, смогут ли такие предполагаемые морские ветряные электростанции на основе VAWT действительно привести их в движение наравне с новейшей технологией HAWT, которая в настоящее время 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), в прошлом работавший с VAWT.Он подвергает сомнению научную основу исследования Oxford Brookes, структуру проекта и результаты, на которых основаны выводы.

«Мои возражения концентрируются на трех основных моментах. Первый касается использования двумерной формы для модели потока CFD. Ветровой поток в группе ветряных электростанций, на мой взгляд, всегда следует изучать с трехмерной точки зрения, потому что смешивание свежего высокоэнергетического ветра из верхних, внешних слоев с ветровым потоком с «истощенной энергией» внутри ветровой электростанции. границ фермы имеет ключевое значение для непрерывной регенерации энергии для выработки в рядах турбин ниже по течению.” 

Это существенное перемешивание ветрового потока внутри ветряных электростанций с ГАВТ происходит автоматически, поскольку вращающиеся лопасти «загоняют» свежий воздух из верхних слоев ветра в массив во время каждого отдельного оборота ротора. Высота наконечников новейших и крупнейших морских турбин в настоящее время достигает 250 метров, а вскоре достигнет 300 метров и более. На этих высотах скорость ветра и, следовательно, энергия ветра высоки.

Нет перемешивания ветром

В противоположность этому, у VAWT ось вращения ротора вертикальна, поэтому ротор всегда вращается в одной плоскости, объясняет Соренсен.В результате смешение свежего и уже «обедненного по энергии» ветрового потока не происходит, и этот «использованный» воздух остается внутри массива ВЭС, что оказывает существенное негативное влияние на потенциальную выработку электроэнергии во всех последующих рядах вниз по течению.

Его вторая критика связана с исследовательской установкой, включающей только два ротора. Согласно отчету, они «расположены во вращающейся области внутри более крупной прямоугольной области с неподвижными стенками вверху и внизу, входом скорости и выходом нулевого давления.Эта выбранная установка с двумя турбинами и граничными условиями потока показана на диаграмме ниже из отчета.

Рис. 3. Граничные условия. R1 всегда вращался против часовой стрелки, но направление вращения R2 менялось в зависимости от того, вращалась ли пара вместе или в противоположных направлениях. «Расстояние» — это расстояние между турбинами, а β — угол установки (Источник: Университет Оксфорд Брукс).

«Мое третье замечание заключается в том, что он игнорирует реальные условия внутри ветряной электростанции, в результате чего таких идеальных условий равномерного потока ветра с односторонним направлением ветра не существует. Взаимосвязанная ошибка проектирования исследований заключается в том, что они не учитывают сложные, постоянно меняющиеся эффекты взаимодействия ветрового потока с другими рядами турбин ниже по течению», — 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 на ветряных электростанциях из-за их превосходной аэродинамической эффективности, поэтому они обеспечивают значительно более высокую производительность на единицу площади (см. Турбины с вертикальной и горизонтальной осью). Производство электроэнергии с наименьшим LCoE на основе жизненного цикла остается ключевой задачей», — заключает он.

Огромный мгновенный скачок

Путь к коммерциализации технологии VAWT до самых современных уровней HAWT не был рассмотрен в исследовании, но будет далеко не простым из-за множества препятствий (см.

Две (Великобритания) компании, Vertax Wind и Aerogenerator X Wind Power (ниже), представили в 2009-2010 годах оффшорные специализированные 10-мегаваттные концепции VAWT, но ни одна из них не достигла стадии прототипа. Обе конструкции имеют очень высокую удельную мощность: 649 Вт/м2 для конструкции Vertax 10 МВт (диаметр ротора 140 м и длина лопасти 110 м) и примерно 1050 Вт/м2 для Aerogenerator X.

Для сравнения, Siemens Gamesa SG 11-200 DD типа HAWT имеет мощность 350 Вт/м2, а SG 222 DD (в режиме 14 МВт) — 362 Вт/м2.

Чтобы превратить турбины с вертикальной осью в полномасштабные конкурентоспособные коммерческие концепции, соответствующие новейшей и крупнейшей флагманской категории HAWT мощностью 12–15 МВт, технологические компании в основном начинают с послужного списка, полученного в основном с турбинами киловаттного класса, и, как правило, только с ограниченным опытом работы на суше.

Такие всеобъемлющие процессы разработки продукции потребуют огромного мгновенного масштабирования ветровых технологий и масштабных усилий по индустриализации. Это также требует больших, сильных сторон с долгосрочными обязательствами и глубокими карманами, чтобы довести его до завершения, а затем ускорить его до коммерческого наращивания, что приведет к финансовой привлекательности и далее.

Турбины с вертикальной осью по сравнению с горизонтальной

Основное преимущество ветряных турбин с вертикальной осью (VAWT) по сравнению с их горизонтальными (против ветра) аналогами (HAWT) заключается в том, что они могут тянуть ветер со всех направлений, не нуждаясь в системе рыскания.

Основным недостатком по сравнению с современными крупногабаритными HAWT является гораздо более низкая аэродинамическая эффективность. В отчете Университета Оксфорд-Брукс указывается максимальный коэффициент давления (Cp) в диапазоне 35-40% по сравнению с почти 50% для HAWT, причем обе турбины работают изолированно.Vertax (на фото ниже) указывает проектную цель Cp 38-39%.

Основным следствием этого является то, что удельная мощность VAWT должна быть существенно ниже, чтобы достичь аналогичного производства энергии, чтобы компенсировать их сниженную аэродинамическую эффективность. Это означает, что существует неотъемлемая необходимость установки большего ротора на мегаватт в тех же классах ветра, для которых они предназначены, и требуемых ежегодных часах полной нагрузки.

В некоторых конструкциях VAWT также отсутствует возможность самозапуска, что требует внешнего источника питания (со связанными с этим потерями энергии) во время каждого пускового действия, будь то двухрежимная электродвигатель-генератор или два отдельных устройства.

Исторические малогабаритные несамозапускающиеся роторы VAWT иногда оснащались небольшим тормозным ротором Савониуса внутри, но это всегда происходило за счет общей аэродинамической эффективности системы.

Еще одной проблемой VAWT является управление выходной мощностью:

  • Для конструкций с регулируемой скоростью вращения с фиксированным углом наклона лопасти вариант управления выходной мощностью представляет собой управление скоростью ротора, при котором двухрежимный двигатель-генератор максимизирует и поддерживает номинальную выходной уровень. Основным недостатком — и проблемой безопасности, по мнению некоторых экспертов, — является отсутствие аэродинамической тормозной системы, характерной для 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 диапазоне номинальной мощности может ускорить усталость материалов и вызвать преждевременные отказы.
  • В качестве альтернативного решения с поворотными лезвиями каждое лезвие крепится к опорным рычагам и подшипникам, чтобы оно могло вращаться. Для этого требуется как минимум одна или несколько подшипниковых опор и систем шага для длинных лопастей, что увеличивает сложность, капитальные 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 вымышленной турбины Дарье H-типа мощностью 11 МВт с диаметром 220 метров, длиной лопастей 175 метров и номинальной мощностью 286 Вт/м2.
  • Третья проблема заключается в том, что самолет с полным ротором VAWT всегда обращен прямо к ветру, и для остановки плюс блокировка ротора в условиях сильного ветра потребовалась бы большая и дорогостоящая тормозная система. Прошлые попытки построить турбины Дарье H-типа с рифлеными или складными роторами оказались либо слишком дорогими, либо не увенчались успехом по другим причинам, таким как быстрый износ в точках поворота из-за, среди прочего, проблем со смазкой, создания дисбаланса, вибраций и преждевременных отказов. .

Ветряные турбины с вертикальной осью | LuvSide: Мощный поворот

Ветряные турбины с вертикальной осью | LuvSide: мощный поворот

Новый способ использования энергии ветра.

Что такое ветряные турбины с вертикальной осью?

Ветряные турбины с вертикальной осью представляют собой тип ветряной турбины, в которой лопасти ротора вращаются вокруг вертикального вала. В отличие от обычной веерообразной конструкции, наблюдаемой на ветряных турбинах с горизонтальной осью, лопасти ветряных турбин с вертикальной осью часто имеют спиральную или Н-образную форму.

Пионерство на основе древней мудрости

Хотя ветряные турбины с горизонтальной осью являются наиболее известными ветряными генераторами, ветряные турбины с вертикальной осью являются самыми старыми среди ветряных турбин.Простые, но надежные, ветряные турбины с вертикальной осью использовались еще в 7 веке как персидское изобретение.

Превращение движения в электричество

Ветряные турбины производят электричество из кинетической энергии ветра. Вращая роторы, они генерируют электрический ток. При прямом подключении к электросети или интеграции с накопителями энергии они становятся автономными поставщиками энергии, ограниченными только ветром.

Два принципа работы

Савониус: бегун сопротивления

Ветряные турбины Savonius с вертикальной осью используют принцип сопротивления потока роторов. Динамическое давление ветра на лопасти создает эффект сопротивления, толкая лопасти во вращение. Из-за этого роторы Савониуса никогда не движутся быстрее скорости ветра.

Дарриус: бегун по подъему

Турбины Darrieus с вертикальной осью, также известные как «взбиватель яиц», используют подъемную силу лопастей. Обтекая конструкцию, ветер создает всасывание на передней стороне турбины, заставляя вращаться лопасти. Скорость вращения турбины Дарье может быть значительно выше скорости ветра.

Посмотреть наши проекты в области ветроэнергетики

Почему выбирают ветряные турбины с вертикальной осью?

Хотя ветряные 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 населенных пунктов и небольшого использования в различных ландшафтах.

Датчик ветра 360°

Для работы не требуются системы слежения за ветром.

Стойкость к сильному ветру

Функционирует при турбулентности воздуха и частых сменах направления ветра.

Низкое воздействие на окружающую среду

Отсутствие тени, меньшая угроза для летающих животных и низкий уровень шума.

Простота обслуживания

Прочная конструкция с генератором, расположенным всего в нескольких метрах от земли.

Меньше по размеру

Легче транспортировать, проще установить.

Поразительный внешний вид

Мощно работает, выглядит фантастически.

Узнать больше

Интеграция ветряных турбин в ваши планы

Узнайте больше о том, как ветряные турбины и технологии LuvSide с вертикальной осью способствуют преобразованию возобновляемых источников энергии.

Найдите свое решение

Настройки конфиденциальности

Мы используем файлы cookie на нашем веб-сайте. Некоторые из них необходимы, в то время как другие помогают нам улучшить этот веб-сайт и ваш опыт.

Настройки конфиденциальности

Здесь вы найдете обзор всех используемых файлов cookie.Вы можете дать свое согласие на целые категории или отобразить дополнительную информацию и выбрать определенные файлы cookie.

Имя Печенье Борлабс
Провайдер Владелец этого веб-сайта
Назначение Сохраняет настройки посетителей, выбранные в окне файлов cookie Borlabs Cookie.
Имя файла cookie borlabs-cookie
Срок действия файла cookie 1 год
Имя WPML
Провайдер Владелец этого веб-сайта
Назначение Сохраняет текущий язык.
Имя файла cookie _icl_*, впмл_*, вп-впмл_*
Срок действия файла cookie 1 тег

Сравнение ветряных турбин с горизонтальной и вертикальной осями

Ветряные турбины различаются по размеру и конструкции, при этом ориентация оси — горизонтальная или вертикальная — имеет основное значение.Очевидно, что в ветродвигателе с горизонтальной осью вертикальный пропеллер вращается против ветра горизонтально, а в ветродвигателе с вертикальной осью лопасти вращаются вокруг вертикальной оси, обращенной к ветру вертикально.

За годы эксплуатации стало ясно, что ветряные турбины с горизонтальной осью или ВВТ хорошо работают на открытых площадках, в то время как ВОВТ имеют гораздо меньше ограничений и, таким образом, могут быть установлены на вершинах холмов и крышах в городских районах.

Общий обзор VAWT и HAWT

Для HAWT важно направление ветра, поскольку лопасти более производительны, когда ветер дует под прямым углом.Кроме того, они обычно имеют привод вращения для регулировки лопастей по направлению ветра.

Напротив, ветряная турбина с вертикальной осью не так сильно зависит от угла ветра и может работать при более низкой скорости ветра, чем средняя ГАВТ. Тем не менее, есть несколько конструкций ветряных турбин с горизонтальной осью, таких как ветряная турбина производства TBHAWT Manufacturing, которым удается избежать потери эффективности, поскольку они предназначены для сохранения эффективности даже при скорости ветра 8 м / с или меньше.

Ветряные турбины с вертикальной осью стоят вертикально или перпендикулярно земле, преобразовывая ветер со всех 360 градусов вокруг. Идеально подходящие для городских районов, VAWT могут использоваться в местах с непостоянным ветром или в сложных сельских районах.

Несмотря на эти факты, VAWT кажутся менее производительными, чем HAWT, из-за более низкой рабочей скорости и последующей производительности, но они, безусловно, являются идеальным выбором для индивидуального домашнего хозяйства с сильным ветром.

ВАУТ и ВАУТ, производящие электроэнергию менее 100 кВт, считаются малыми и в основном используются локально для бытовых нужд. Тем не менее, есть некоторые конструкции ГАВТ мощностью более 50 кВт, которые оказались прибыльными благодаря хорошему сочетанию экономической эффективности и охвата клиентов.

Небольшие ветряные турбины, как правило, более популярны, поскольку для них требуется меньше земли и инвестиций, чем для больших. Малые ВТ особенно подходят для удаленных и автономных районов и могут быть подключены или отключены от национальных линий электропередач.

Ветряная турбина с горизонтальной осью

Ветряные турбины с горизонтальной осью используют энергию ветра с помощью лопастей, направленных по горизонтальной оси параллельно земле. HAWT обращен к ветру перпендикулярно, так что лопасти ветряной турбины поворачиваются вслед за аэродинамической подъемной силой.

Ветрогенераторы с горизонтальной осью преобладают на рынке ветроэнергетики, так как их конструкция позволяет получать больше энергии за счет полного вращения лопастей в условиях постоянного потока ветра. Более того, ветряные турбины с горизонтальной осью устойчивы к обратному ходу, что также полезно для этого типа производства электроэнергии.

Для достижения максимальной эффективности ветряные турбины с горизонтальной осью должны быть размещены по направлению ветра. Если направление ветра переменное, эффективность выработки энергии может в разы значительно снизиться.

Однако этот недостаток устраняется при размещении ветропарка с горизонтальной осью на правильно выбранном участке с постоянным однонаправленным ветровым потоком.

Небольшая ветряная турбина часто имеет флюгер для выравнивания с направлением ветра, в то время как большие ветряные турбины включают измеритель рыскания для корректировки положения ветряной турбины, чтобы оставаться на одной линии с потоком ветра. Постоянный, стабильный поток ветра важен, когда оператор ищет экономичное решение.

Ветряная турбина с вертикальной осью

Лопасти ветряной турбины с вертикальной осью вращаются перпендикулярно земле и вокруг вертикальной оси, используя для работы эффекты сопротивления и подъемной силы.Несмотря на отсутствие популярности по сравнению с HAWT, VAWT могут принимать и обрабатывать ветер с любого направления, поэтому он идеально подходит для городских и пригородных районов с турбулентными непостоянными ветрами.

Редуктор ветрогенератора и часть его оборудования можно установить ближе к земле. Таким образом, пользователь ветряной турбины может значительно сократить расходы на техническое обслуживание, что, наряду с менее шумной конструкцией, создает лучшие условия для совместной жизни.

Ветряные турбины с вертикальной осью очень чувствительны к обратному ходу из-за того, что лопасти вращаются в направлении ветра, в то время как им необходимо вернуться в поток ветра, прежде чем они будут отброшены назад.

В конце концов, новые исследования показывают, что ветроустановки с вертикальной осью мало чем отличаются от ветроустановок с горизонтальной осью – эффективность ветроустановки сильно зависит от ветровой обстановки местности и требуемого объема выработки электроэнергии.

Вращение

При вращении лопасти ГАВТ получают эффекты изменяющейся силы инерции и постоянно стабильной гравитации. Из-за этих влияний лопасти HAWT испытывают переменную нагрузку, которая отрицательно сказывается на усталостной прочности лопасти.

При вращении ветряная турбина с вертикальной осью получает более стабильные эффекты благодаря силе инерции и стабилизации гравитации. В связи с этим нагрузка фиксирована, поэтому усталостная долговечность VAWT больше, чем у HAWT.

Скорость ветра

Общеизвестно, что ветряные турбины с горизонтальной осью показывают отличные характеристики благодаря достаточной стартовой скорости и постоянным потокам ветра. Однако следует отметить, что эффективность ветроустановки во многом зависит от конструктивного решения.

Чтобы поддержать эту идею, Китайский центр исследований и разработок аэродинамики провел эксперимент с небольшой ветряной турбиной с горизонтальной осью с начальной скоростью около 5 м/с и максимальной полученной скоростью 5,9 м/с.

Эксперимент показал, что эта начальная скорость недостаточна для того, чтобы превысить энергопотребление ветряной турбины, и поэтому является неудовлетворительной. В то же время более перспективным ветродвигателем с точки зрения коммерческого использования являются другие ветроустановки с большим диапазоном скоростей ветра, такие как упомянутая выше модель WTW-55 производства TBHAWT Manufacturing.

Ветряные турбины с вертикальной осью запускаются при более низкой скорости ветра, что приводит к снижению производительности. Чтобы обеспечить рентабельную мощность, следует выбирать ветряные турбины с вертикальной осью Н-образной конструкции — в этом случае оператор должен убедиться, что аэродинамический профиль и оптимальный угол установки точно соблюдены. Таким образом, ветряная турбина с Н-образной структурой будет запускаться с непревзойденной скоростью 2 м/с.

Эффективность

Ветрогенераторы с горизонтальной осью преобладают на рынке ветроэнергетики из-за их гораздо более высокой эффективности по сравнению с VAWT.В свою очередь ВЭУ делятся на большие и малые ВЭУ, где для больших ВЭУ необходимы просторные открытые площадки, в идеале с выходом к морю для получения большего количества ветра.

Небольшие ветряные турбины имеют меньше ограничений и могут использоваться как для небольших домашних хозяйств, так и для снабжения общины или города. Конечно, все сильно зависит от размера ветропарка – чем он больше, тем больше домохозяйств может обслуживать.

Когда дело доходит до коммерческого использования, ветряные турбины с горизонтальной осью опережают VAWT с точки зрения масштабирования и производительности.Будучи больше по размеру, обслуживание HAWT обходится дороже, но в то же время они производят в десять раз больше электроэнергии, чем средняя ветряная турбина с вертикальной осью.

Напомним, что ВЭУ с вертикальной осью заметно неэффективны в высокоскоростных ветровых потоках из-за крайне низких пусковых моментов и проблем с динамической устойчивостью.

Ветряные турбины как с горизонтальной, так и с вертикальной осью имеют свои преимущества и недостатки. Чтобы получить большую часть этого, разработчику сначала нужно решить, хотят ли они, чтобы ветряная турбина закупалась самостоятельно, или монетизировала энергию ветра, превращая ветряные турбины в стабильный долгосрочный доход.

Зависимость момента инерции ветряных турбин с вертикальной осью при пульсирующем ветре

Ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT) не зависят от изменения направления ветра, они имеют простую конструкцию и потенциал для высокой эффективности благодаря своей подъемной силе. Однако на ВАВТ влияют изменения скорости ветра из-за эффектов, возникающих из-за момента инерции. В данной работе исследуются изменения скорости вращения малого ВАВТ при пульсирующем ветре, генерируемом нестационарной аэродинамической трубой, путем варьирования параметров ветрового цикла и амплитуды. Показано, что отклики, наблюдаемые экспериментально, согласуются с моделированием, основанным на характеристиках крутящего момента, полученных в условиях установившегося вращения. Кроме того, представлено простое уравнение, выражающее взаимосвязь между шириной изменения вращения и амплитудой пульсирующего ветра. Энергоэффективность при пульсирующем ветре остается постоянной при изменении как момента инерции, так и ветрового цикла; однако энергоэффективность снижается при большой амплитуде ветра.

1.Введение

Ветряные турбины с вертикальной осью (ВАВТ) [1] являются перспективными энергетическими устройствами [2–4]. Они имеют простую конструкцию, на их выходную мощность не влияют изменения направления ветра, а благодаря подъемной силе они обладают потенциалом высокой эффективности. Однако на VAWT влияет изменение скорости ветра из-за их момента инерции. В результате реакция ротора на изменение скорости ветра важна при рассмотрении надлежащего управления VAWT.

В целом, для проектирования, анализа и управления широко распространенными ветровыми турбинами с горизонтальной осью (HAWT) прогнозирование нестационарных аэродинамических нагрузок является сложной и важной задачей. По этой причине было приложено много усилий для моделирования нестационарной аэродинамики ветряных турбин [5]. В случае ВАВТ даже при постоянной скорости ветра угол атаки набегающего потока на лопасть периодически изменяется при вращении. Таким образом, динамический анализ VAWT необходим для надежного проектирования и снижения стоимости [6]. На практике проблемы еще более сложны, так как ветряные турбины часто устанавливаются в условиях турбулентности и резких перепадов скорости ветра.

Обычно прогнозы производительности ветряных турбин сравниваются с полевыми или экспериментальными данными, измеренными при постоянной скорости ветра.Недавно были измерены переходные характеристики ВАВТ с прямыми лопастями при ступенчатом изменении скорости ветра в нестационарной аэродинамической трубе [7]. В настоящей работе для исследования зависимости характеристик ВОВТ от момента инерции при нестационарном ветре измеряется отклик прямолопастного ВОВТ на пульсирующий ветер, изменяющий момент инерции ротора, ветровой цикл и скорость ветра. амплитуда. Экспериментальные результаты сравниваются с численным моделированием, в котором предполагается, что экспериментальные коэффициенты крутящего момента получены в условиях постоянной скорости ветра.Кроме того, проводится моделирование для теоретического ВАВТ с размером ротора, отличным от используемого в эксперименте, и исследуется зависимость отклика ротора от средней скорости пульсирующего ветра, а также поведение ротора в случае длительный цикл ветра.

2. Экспериментальный аппарат

Схема экспериментальной установки показана на рисунке 1. Экспериментальный VAWT имеет четыре прямые лопасти с аэродинамическими профилями NACA 0012 (длина хорды:  м). Диаметр ротора  м, а высота  м.Охватываемая площадь ротора составляет  м 2 . Первоначальный момент инерции ротора составляет  кгм 2 , и его можно увеличить до 0,3 кгм 2 , закрепив грузы на оси под ротором. На рис. 2 представлена ​​фотография ротора ВАВТ и грузов, установленных на оси вращения. Аэродинамическая труба типа Эйфеля в Университете Тоттори (квадратное сопло: ) может генерировать пульсирующие потоки ветра с помощью осевого вентилятора, который может изменять угол наклона лопастей при вращении с постоянной скоростью [8].В настоящем эксперименте манипулируют порошковым тормозом для создания постоянного крутящего момента нагрузки . Расстояние между выходом из аэродинамической трубы и осью ротора составляет 1,5 м, а скорость ветра измеряется с помощью зонда с горячей проволокой, помещенного на выходе из сопла.



3. Экспериментальный метод

Средняя скорость пульсирующего ветра была зафиксирована на уровне  м/с, а амплитуда была зафиксирована на уровне или 2 м/с. Цикл ветра был изменен с на 8 с. Крутящий момент нагрузки поддерживался на уровне около   Нм, что соответствовало условиям максимальной мощности экспериментального VAWT при постоянной скорости ветра 10 м/с.Частота дискретизации скорости вращения и скорости ветра составляла 8 Гц. Время записи крутящего момента, скорости вращения и скорости ветра зависело от пульсирующего цикла ветра и было установлено примерно в пределах от 200 до 250 с. Это соответствует примерно 50 циклам для  с, 42 циклам для с и 31 циклу для  с. Все измеренные данные были усреднены по фазе на основе измеренных данных скорости ветра, и пример усредненных данных для скорости ветра и скорости вращения приведен на рисунке 3. Несколько наборов данных временных рядов были получены для каждого экспериментального условия, и выходные данные для конкретных характеристик, таких как временная задержка, усреднялись таким образом, чтобы можно было найти репрезентативное значение для каждого условия.


4. Моделирование

Поведение угловой скорости в ответ на пульсирующий ветер было смоделировано с использованием метода Рунге-Кутты для численного интегрирования уравнения движения ветряной турбины: куда В (1) – момент инерции только ротора ветродвигателя, а моменты инерции датчика момента и порохового тормоза считаются несущественными. – эффективный крутящий момент и определяется как разница между крутящим моментом ветродвигателя и тормозным моментом , поступающим от подшипников (2).- крутящий момент нагрузки, который в данном случае создается порошковым тормозом. Крутящий момент ветродвигателя определяется формулой (3), где – плотность воздуха.

При моделировании коэффициент крутящего момента , зависящий от отношения скорости законцовки, и скорости ветра , был получен путем интерполяции табличных данных этого коэффициента, измеренных при постоянной скорости ветра. На рисунке 4 представлены коэффициенты крутящего момента VAWT, использованные в этом исследовании. Эти характеристики крутящего момента были измерены без каких-либо грузов, помещенных на ось ротора; однако было показано, что добавление весов не привело к существенному изменению .Наконец, предполагалось, что скорость потока у ротора была такой же, как и у основного потока выше по течению, когда последний задавался как синусоидальная волна со средней скоростью ветра 10  м/с.


5. Результаты и обсуждение
5.1. Временная задержка и ширина скорости вращения

Пример экспериментальных результатов показан на рисунке 3, где усредненные по фазе скорости ветра и скорости вращения для примерно 50 периодов графически представлены для случая, когда   м/с,   с и   кгм 2 .Видно, что скорость вращения изменяется периодически с постоянной задержкой по времени, в зависимости от изменения скорости ветра. Для случая, показанного на рисунке 3, усредненная по времени скорость вращения равна   об/мин, а ширина скорости вращения (-) равна   об/мин.

Данные на рис. 5(а) представляют собой временные задержки для случая, когда   м/с. Эти задержки были скорректированы путем равномерного вычитания 0,15 с для учета скорости ветра, измеренной на расстоянии 1,5 м выше по течению от центра ротора. Кроме того, была измерена задержка изменения ветра, обусловленная осевым расстоянием, для нестационарного ветра, создаваемого аэродинамической трубой, описанной в разделе 2 [9]. Рисунок 5(а) показывает, что временная задержка увеличивается с циклом ветра, но остается постоянной при увеличении момента инерции. Временные задержки показывают аналогичную зависимость от ветрового цикла и момента инерции для случая, когда = 2  м/с на рис. 5(б).

Экспериментальная ошибка для временных задержек, измеренная при каждом экспериментальном условии, показана на рисунках 6(a) и 6(b). Ошибка эксперимента определяется как разница между максимальным и минимальным значениями, найденными для 3–5 измерений, выраженная в процентах от среднего значения измерений.Погрешности эксперимента составили 15,8 % при = 1  м/с и 12,9 % при = 2  м/с.

Зависимость ширины скорости вращения, , как от момента инерции, так и от ветрового цикла, для = 1 м/с, приведена на рисунке 7(a) и показывает, что ширина скорости вращения, , увеличивается с циклом ветра, , и уменьшается с увеличением момента инерции . При = 2 м/с зависимость от и практически идентична таковой при = 1 м/с, хотя значения почти удваиваются (рис. 7(б)). Как и выше, экспериментальная ошибка для ширины скорости вращения (об/мин), измеренная для каждого экспериментального условия, показана на рисунках 8 (а) и 8 (б), а экспериментальные ошибки равны 12.6% при = 1  м/с и 11,2% при = 2  м/с.

5.2. Phase Delay

Фазовые задержки между изменением скорости вращения и изменением ветра показаны на рисунках 9(a) и 9(b) для случаев, когда = 1 м/с и = 2 м/с соответственно. Для первого фазовая задержка увеличивается для коротких циклов ветра, . И наоборот, при = 2  м/с фазовая задержка остается почти постоянной на всем протяжении. Средняя смоделированная фазовая задержка, представленная пунктирной линией на рисунке 9, в обоих случаях приблизительно равна.

5.3. Скорость изменения скорости вращения

Скорость изменения скорости вращения, деленная на ветровой цикл, показана для обеих амплитуд ветра на рисунках 10(a) и 10(b). Для каждого случая значения выражены кривой, обратно пропорциональной моменту инерции , и не зависящей от ветрового цикла . Для скорости = 2  м/с существует разница между экспериментальными результатами и результатами моделирования, показанными пунктирной линией. Тем не менее, для обоих случаев экспериментальные и смоделированные результаты в значительной степени согласуются друг с другом.

При сравнении коэффициентов двух смоделированных кривых коэффициент при = 2  м/с примерно в два раза больше, чем при = 1  м/с. Следовательно, ширина скорости вращения может быть выражена как где — константа и принимает значение около для используемого здесь ветряного двигателя.

5.4. Energy Efficiency

Экспериментальная энергоэффективность ветровой турбины показана на рисунках 11(a) и 11(b) вместе с результатами моделирования, показанными пунктирными линиями. На рис. 12 представлена ​​экспериментальная ошибка для каждого экспериментального условия.Для случая, когда = 1 м/с, экспериментальная погрешность энергоэффективности составляет 4,0 %, а при = 2 м/с — 5,1 %. В данном исследовании определяется как отношение между механической мощностью турбины и входной мощностью ветра , выраженное в процентах: куда В (7) представляет собой временной интервал выборки данных и указывает на суммирование по ветровому циклу.

На рисунках 11(a) и 11(b) энергоэффективность имеет тенденцию к снижению с увеличением момента инерции, . Однако эта тенденция была вызвана увеличением тормозного момента подшипников, на который повлияли грузы, добавленные для изменения момента инерции.Для обоих случаев смоделированная энергетическая эффективность не зависит от или , но энергетическая эффективность уменьшается, когда амплитуда ветра велика. Это снижение эффективности связано с тем, что, хотя увеличение амплитуды ветра приводит к увеличению подводимой энергии, средняя мощность ветровой турбины остается неизменной или даже несколько снижается при изменении амплитуды ветра. На рис. 13 показаны точки моделирования моделируемой механической мощности для ветровой турбины в случае = 4 с.Средние мощности (20,6 Вт при = 1 м/с, 19,8 Вт при = 2 м/с) практически одинаковы независимо от , тогда как подводимая ветровая мощность увеличивается на 4,7% при удвоении (171 Вт при = 1 м/с, 179 Вт для = 2 м/с).


6.
​​Численный анализ теоретического VAWT

В предыдущем разделе численное моделирование показало хорошее согласие с экспериментальными результатами. В этом разделе сообщается об аналогичных симуляциях для теоретического VAWT разного размера с разными аэродинамическими профилями.Этот новый VAWT имеет четыре прямые лопасти с аэродинамическими профилями NACA 0018 (), и  m. Охватываемая площадь (  м 2 ) примерно в 10 раз больше, чем у экспериментального ротора (0,282   м 2 ). нового VAWT оценивается примерно в 5 кгм 2 , если лопасти изготовлены из легкого материала плотностью 300 кг/м 3 . Мощность и крутящий момент рассчитывались с использованием теории импульса элемента лопасти [1, 10–12]. Моделированные коэффициенты мощности () и крутящего момента () представлены на рисунке 14 для девяти скоростей ветра от 6 до 14  м/с.В этих расчетах производительности для моделирования поля течения использовалась модель двойной множественной трубы потока, а для учета эффекта динамического срыва применялась модифицированная модель Гормонта [1]. В этом исследовании параметр динамической модели срыва был установлен равным 1000. Аэродинамические данные (коэффициент подъемной силы, и коэффициент сопротивления, ), необходимые для расчета характеристик, были взяты из [13] для и из [14] для . На кривых при каждой постоянной скорости ветра на рис. 14(b) появляются два пика. Правый пик соответствует максимальному крутящему моменту, основанному на статических аэродинамических данных, а левый пик соответствует динамическим эффектам сваливания.

Для моделирования отклика теоретического ВАВТ амплитуда пульсирующего ветра была зафиксирована на уровне = 1 м/с, тогда как средняя скорость пульсирующего ветра была зафиксирована на уровне , и 13 м/с, а цикл ветра – на уровне , и 32 с. Моделирование проводилось по методу, описанному в разделе 4, и (1) численно интегрировалось от начального состояния, которое принималось за состояние максимальной мощности ротора при средней скорости ветра. Время расчета составило 300 с для интервала времени 0. 01 с, а в анализе использовались данные стационарного состояния между 200 и 300 с. В качестве данных для моделирования были введены три кривые крутящего момента. Например, при = 7  м/с использовались коэффициенты крутящего момента, для и 8  м/с, показанные на рисунке 14. Кроме того, для моделирования в этом разделе тормозной момент не учитывался ( = 0, т. е. ).

Фазовые задержки, , при каждой средней скорости ветра показаны на рисунке 15. В случаях, когда = 7 или 10 м/с и , или 16 с, все фазовые задержки равны примерно .Однако при = 7 или 10 м/с и  с фазовая задержка меньше, чем при малом моменте инерции ( = 5 или 7 кгм 2 ). При большой средней скорости ветра (= 13  м/с) эта тенденция становится более заметной.

Зависимость от показана для каждой средней скорости ветра на рис. 16. При всех средних скоростях ветра, когда , или 16 с, значения не зависят от и хорошо согласуются с аппроксимацией в (5). Константы кривой теоретического ВАВТ составляют 0,0508, 0,0499 и 0,0700 для = 7, 10 и 13  м/с соответственно. Грубо говоря, увеличивается в соответствии с порядком момента инерции (для кгм 2 экспериментального ротора; для  кгм 2 теоретического ротора). Однако при фиксированных размерах и форме ротора величина показывает слабую зависимость от средней скорости пульсирующего ветра. Для = 32 с на рисунке 16 значения имеют тенденцию отклоняться от приближений, данных (5), когда  kgm 2 . Однако расходимость в случае большой скорости ветра отличается от расхождения для малых и средних скоростей ветра.

Энергоэффективность, (%), показана на рисунке 17. Эффективность отражает влияние числа Рейнольдса на аэродинамические характеристики лопасти и составляет 28% при = 7  м/с и 36% при = 10 или 13  м/с . При всех средних скоростях ветра, когда = 4, 8 или 16 с, почти не зависит как от , так и от . Однако в случае = 32 с эффективность изменяется, когда мала. При этом для = 10  м/с уменьшается с уменьшением момента инерции. Напротив, при = 13  м/с резко возрастает при   кгм 2 .

Чтобы прояснить вышеупомянутое поведение энергоэффективности при большом и малом, далее представлены временные профили скорости вращения и локусы эффективного крутящего момента . Начальное состояние каждого профиля и локуса является состоянием максимальной мощности средней скорости ветра.

Для случая, когда = 13  м/с, = 32  с и = 7  кгм 2 , временной профиль показан на рисунке 18, а соответствующее геометрическое место представлено на рисунке 19. Аналогично, для случая, когда = 13  м/с, = 32  с и = 3  кгм 2 , временной профиль и геометрическое место показаны на рисунках 20 и 21 соответственно.Сравнивая случаи, когда = 7 кгм 2 (рис. 18 и 19) и = 3 кгм 2 (рис. 20 и 21), быстрое изменение скорости вращения из-за малого момента инерции (= 3 кгм 2 ) вызывает увеличение ширины скорости вращения , средней скорости вращения ( = 353,9 и 377,1 об/мин при = 7 и 3 кгм 2 соответственно) и энергоэффективности .





23, а при = 10 м/с, = 5 кгм 2 и = 32 с временной профиль и геометрическое место показаны на рисунках 24 и 25.При сравнении этих случаев медленное изменение скорости ветра из-за длинного цикла ( = 32 с) вызывает увеличение и уменьшение ( = 299,4 и 296,2 об/мин при = 16 и 32 с соответственно). В результате несколько снижается.





Как показано на рисунках 21 и 25, для случаев с большим ветровым циклом и малым моментом инерции геометрическое место крутящего момента увеличивается в направлении оси скорости вращения, и энергоэффективность может отличаться.Однако направление изменения энергоэффективности, по-видимому, зависит от формы кривой крутящего момента или от соотношения между и .

Наконец, в качестве примера крайнего случая временной профиль и соответствующее геометрическое место, когда = 10 м/с, = 32 с и = 3 кгм 2 , показаны на рисунках 26 и 27 соответственно. Как показано на рис. 27, при длинном цикле ветра и малом моменте инерции правая часть (1), т. е. величина, принимает отрицательные значения после первого пика скорости ветра.Поэтому скорость вращения ветряка уменьшается и в конце концов становится равной нулю. Это неустойчивое условие вращения встречается даже при больших значениях, если или становится большим. Однако, поскольку крутящий момент нагрузки ветрогенератора обычно изменяется в зависимости от скорости вращения, поведение реальной ветряной турбины может несколько отличаться от настоящего результата.



7. Выводы

Реакция ВАВТ с прямыми лопастями на пульсирующий ветер была исследована путем изменения момента инерции, ветрового цикла и амплитуды ветра.Фазовая задержка между скоростью вращения и изменением ветра сохраняла постоянное значение, становясь примерно при большой амплитуде ветра. Скорость изменения скорости вращения, деленная на ветровой цикл, была обратно пропорциональна моменту инерции и не зависела от ветрового цикла.

alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.