Ветрогенератор большой мощности: Промышленные ветрогенераторы большой мощности

Содержание

Новый тип ветрогенератора производит электричество без лопастей / Хабр

Изобретение описание этой техники, представляет собой систему для преобразования энергии ветра (CESG) в механическую энергию, а затем электричество.

Эта система преобразования энергии ветра (CESG), описанные ниже, не подлежит теоретический предел Беца (59%). Таким образом, данное изобретение обеспечивает производительность намного выше, чем ветряные турбины используются в настоящее время.

Система (WECS) имеет колесо (F) с ряда лопастей, расположенных вокруг (см. чертеж № л). Колесо (F) вращается в ассоциацию поворачиваться вокруг оси (L) фиксировано, благодаря кинетической энергии ветра в лопастях, обеспечивая колесо (F) механическую энергию вращения.

Промойте к оси (L), держатель (E), достаточно жесткой, обеспечивает пластины (или заднюю) серии цилиндрами двойного действия (D). Последний может состоять из одного или более цилиндрами двойного действия (см. рисунок 1 М 1). Для упрощения настоящего описания системы (WECS) имеет серию из трех двойного действия, цилиндры. Распределение и позиционирование серии цилиндрами двойного действия (D) на кронштейн (E), чтобы быть уверенным вполне определенным образом, чтобы обеспечить лучшее функционирование (см. детальный чертеж Нет, нет л).

Поршневые штоки из множества цилиндрами двойного действия (D) связаны с шаровым шарниром корпус (), и что для того, чтобы предоставлять ему максимальную степень свободы в пространстве,

позволяет движение и больше жидкости на ветер (см. детальный чертеж Нет, нет л) и (фото № 7). Сказал тела (А) имеет форму и свойства поверхности определяются, соответственно, для достижения коэффициента аэродинамического сопротивления выше и максимальная результирующая сила ветра в плен. Кроме того, тела (А) должна иметь легкий вес возможным. В этом случае, а не только на часть его поверхности может быть, например, покрыты завесой (см. рисунок № 2).

Для того чтобы колесо (F), чтобы вращаться свободно и независимо от тела (А), активной поверхности (поверхности, обращенной к ветру) хранится постоянно подвергается воздействию ветра (см. передний вид на чертежах № 3, N 4, № 5 и № 6).

Крепления на поршневые штоки цилиндрами двойного действия (D) на теле (A) должен быть установлен на оси, совпадающей с направлением вектора результирующей силы ветра нападает на теле (A) (см. подробнее Не обращая Номер л).

Жесткая рука © утоплена с одной стороны на колесе (F) и поддерживается с другой стороны, шарнирно соединен с профилем (B) П-образные С круговые движения спутника, оказывается, таким образом, с колесом (F), а скольжение на периферические части тела (A) (см. рисунок № 2). Для того, чтобы свести к минимуму трение скользящего профиля (B), последняя может быть в контакте со стороны периферической части тела (A) с помощью роликов и тому подобное. Кроме того, периферические части тела (A) должна быть достаточно гладкой и достаточно жесткой.

Когда ветер действует на тело (A), последняя вращается под действием момента результирующая сила ветра, а с раздела сводной (B) и тела (A) растет без помех через Облигации мяч, стебли цилиндров двойного действия (D), которые присутствуют в области диаметрально противоположные рейки (B). Стержней цилиндрами двойного действия (D), присутствующих в обратной зоне (зоне стороне профиля (B)), как правило, обращается (см. рисунок IM 3).

Наличие кругового движения спутника, профиль (B) вращается в то время как скольжение на периферические части тела (A), тем самым меняя точку опоры результирующая сила ветра (соединение стержня профиля (B)), которая с ‘ приложенных к телу (А). Стержней цилиндрами двойного действия (D), следовательно, будет обращено и толкнул, имея поступательное движение цикла (см. рисунки № 3, № 4, № 5 и № 6). Таким образом, энергия ветра захвачен ветра тела (А) преобразуется в механическую энергию поступательного движения поршня в цилиндрами двойного действия (D), тем самым создавая давление на последних.

Вид из передней, слева, сверху и перспективных рисунков № 3, № 4, № 5 и № 6 показаны действия тела (A) на стеблях цилиндрами двойного действия (D) и поведение системы (WECS) против ветра при различных положениях (0 °, 90 °, 180 ° и 270 °) профиля (B) периферические части тела (A).

Гондолы (D) вкладывается к оси (L). Эта платформа (J) содержит в основном гидравлическим мотором (Н) и электрического генератора (G), который может быть соединен через множитель скорости (см. чертеж № л).

Во время назад и вперед движения поршней ряд цилиндров двойного действия (D), они растут гидравлической жидкости в гидравлической схеме пути (в красном) конвертируемые либо тянуть или толкать, и через ряд клапанов (см. рисунок № 7). Последняя также позволяет сосать гидравлической жидкости в цилиндры двойного действия (D) через гидравлический контур возврата (синий), а в одном направлении «, независимо от движения, потянув или толкать».

Гидравлическая схема прохода (красный) подключен к входу гидравлический двигатель (H). Назад (синий) также связано с выходом гидромотора (H) (см. рисунок 7). Таким образом, поток гидравлической жидкости под давлением, превращается в вращательное движение вала двигателя (H), которая соединена с осью электрогенератора (G) через множитель скорости, создавая таким чистым электричеством (см. рисунок № 7).

Для того чтобы учесть направление ветра держали системы (WECS), может быть оснащена системой автоматической ориентации позволяет ему поворачиваться на коврик (I) и держать тело (A) и колесо (F ) постоянно сталкиваются с ветром, и этот режим, вверх или вниз по течению. Кроме того, ориентация может быть достигнуто с помощью руля (K), четко определенные размеры, крепится с помощью среды, гондолы (J) (см. рисунок Номер л). Для того, чтобы упростить работу системы ориентации (WECS), а не ограничиваться решением руля (K) в этом случае рассматривать как показательный пример.

Таким образом, энергия ветра захвачен тела (А) преобразуется в механическую энергию вращения перевода и, соответственно, через стержни из множества цилиндров (D) и гидравлический двигатель (H). Эта механическая энергия преобразуется в электрическую энергию с электрическим генератором (G). Звено в этой цепи преобразования энергии на преобразование механической энергии в механическую энергию вращения перевод может быть застраховано без ограничений, через несколько другие механизмы, такие как кривошипно-шатунного или другой…

Как было объявлено в начале техническое описание, система (WECS) не подлежит теоретический предел Беца (16/27%) и обеспечивает лучший выход преобразования энергии ветра. Только при условии компонент предел Беца, в том, что колесо (F), которая имеет лишь небольшую площадь поверхности по сравнению с общей системой активного поверхности (WECS). Кроме того, это колесо (F) служит только для изменения положения профиля (B) в круговом движении спутника и энергии она захватывает не требуется Рассмотрим цепочку преобразования энергии описано выше, или в конечном восстановить энергию.

как устроены ветровые электростанции, рентабельность и особенности конструкции

Ветроэнергетика как отрасль может базироваться только на использовании крупных и высокопроизводительных ветровых турбин. Установки малой мощности, обеспечивающие лишь отдельные дома или группы потребителей, интересны только как автономные источники энергии. Крупные ветротурбины успешно используются в странах Запада, США, Китае. Для использования таких устройств требуется достаточно сильный и стабильный ветер, что свойственно не всем регионам.

Как устроены мощные промышленные ветрогенераторы?

Существующие ныне мощные ветрогенераторы имеют практически одинаковую конструкцию. За основу взят горизонтальный ротор с крыльчаткой. Большие размеры лопастей создают высокую площадь сопротивления потоку ветра, поэтому обычно устанавливается по три лопасти. Масса таких установок очень велика — одна из величайших установок Enercon E-126 весит 6000 т. При таких параметрах требуется достаточно сильный и ровный ветер.

Для старта вращения используются специальные электродвигатели. Большинство моделей не имеет устройства наведения, обходятся установкой на преобладающем направлении потока. Обычное место использования — степные или пустынные регионы, прибрежные или шельфовые районы с постоянными и ровными ветрами.

Конструкция мощного ветрогенератора состоит из следующих элементов:

опорная башня. У образцов меньших размеров это мачта. Башня имеет коническую форму, способствующую большей устойчивости и равномерному распределению нагрузок. Изготавливается на месте путем последовательной заливки бетоном соответствующей опалубки. В основании имеется мощная бетонная площадка, являющая цоколем фундамента, обеспечивающего неподвижность и устойчивость
гондола. Это камера, внутри которой расположены генераторный отсек, устройства передачи вращения. К ней же присоединяется ротор, конструктивно являющийся продолжением гондолы и образуюший вместе с ней обтекаемую форму. Внешняя часть ротора состоит из хаба и лопастей. Хаб — это центральный обтекатель, установленный на валу генератора и служащий для присоединения лопастей. Гондола имеет возможность вращения вокруг башни для установки на ветер, для чего используется асинхронный электродвигатель и зубчатая передача, опоясывающая всю верхнюю часть башни. Возможность вращения имеется не у всех моделей, для шельфовых ветряков, работающих на потоках двух противоположных направлений, эта функция необязательна.
генератор турбины представляет собой устройство кольцевого типа. Ротор турбины конструктивно объединен с ротором генератора, это снижает потери и уменьшает материалоемкость. Для подобных конструкций принципиально важно в максимальной степени исключить узлы передачи вращения, взамен применяя единые цельные элементы.

Лопасти изготавливаются из специального композитного волокна с включениями стали. В зависимости от размеров они изготавливаются целиком или набираются из отдельных частей. Устройство лопастей предусматривает возможность изменения профиля или угла поворота, позволяя регулировать аэродинамику в соответствии с режимом ветрового потока.

В зависимости от размеров, фирмы-изготовителя и назначения ветряка, могут иметься какие-либо изменения в конструкции, дополнения или иные особенности, присущие только данной модели.

Размеры ветряка

Промышленные ветрогенераторы большой мощности обладают впечатляющими габаритами. Так, уже упоминавшийся Enercon E-126 имеет полную высоту 198 м при размахе лопастей 128 м. Площадь, которую ометают такие лопасти, составляет 12668 м².

Размеры других ветряков соответствуют вырабатываемой мощности. Существуют более крупные или мелкие модели, но все они велики и обладают большим весом. При этом, поверхность земли занимает только основание мачты, вся остальная площадь пригодна для использования под сельское хозяйство.

Примечательно, что мощные ветряки нерентабельны по отдельности. Они используются чаще всего в составе больших ветроэлектростанций, занимающих достаточно большие площади. В составе комплексов насчитываются десятки и даже сотни отдельных установок, объединенных в единую систему и выдающие суммарную мощность в несколько мВт. Они создаются в местах с оптимальными ветровыми условиями, способными обеспечить равномерную нагрузку и стабильную производительность оборудования.

Большие размеры означают высокие цены на оборудование. Так, стоимость турбины Enercon E-126 составляет 11 млн евро. Можно примерно подсчитать стоимость целой ветроэлектростанции, эксплуатационные расходы и затраты на доставку и монтаж таких гигантов. Соответственно, себестоимость энергии достаточно высока, а срок службы относительно низок — около 20 лет.

Мощные ветрогенераторы: сравнительная характеристика

Параметры мощных ветряков напрямую зависят от их мощности. Тип конструкции у всех моделей практически одинаков, так как аэродинамика лопастей, оптимальным образом подходящая для установок высокой мощности, должна соответствовать именно такой конфигурации. Поэтому сравнивать можно только пропорции крыльчатки того или иного устройства. Гораздо проще рассматривать мощность установок, поскольку она важнее для любых расчетов и может сказать гораздо больше для потенциального пользователя.

Флагманами в этом направлении являются известные фирмы Siemens, Enercon, Vestas и многие другие. Конкуренция между ними весьма жесткая, так как спрос ограничен, ошибки недопустимы. Отсюда высочайшее качество оборудования, отлаженный механизм работы всех узлов и агрегатов. Примечательно, что спрос на крупные устройства намного ниже, чем на менее производительные. Цена оборудования не позволяет широко распространять его повсеместно, выбор делается в сторону меньших расходов.

Промышленные ветровые электростанции

Функционирование нескольких сотен крупных ветряков способно создавать большие мощности. Создание ветровых электростанций позволило решить проблемы с электроснабжением регионов, не имеющих возможности строительства ГЭС или АЭС.

Примечательно, что запрет на строительство АЭС в ряде регионов мира и отсутствие других возможностей явились причинами возникновения множества ВЭС, хотя эксплуатационные и экономические параметры ветряков уступают более традиционным вариантам выработки энергии. Кроме того, ветроэнергетика признана экологически чистым направлением, что также сыграло немалую роль в развитии отрасли.

В последнее время наблюдаются две параллельные тенденции:

рост числа мощных установок, объединенных в большие станции
возрастание интереса к частным источникам, дающим возможность автономного существования без использования сетевых ресурсов

Возникает конкурентная ситуация, когда большие вложения в огромные комплексы перестают покрываться доходами от них, а небольшие установки становятся все более выгодными и удобными. Будущее покажет, какая система станет наиболее распространенной и эффективной.

Мощность и КПД ветрогенераторов различных типов: обзор технических характеристик

Описание и характеристики различных типов ветрогенераторов, их сильные и слабые стороны и применение в различных областях.

к содержанию ↑

Введение

Забота об окружающей среде и о собственном кошельке побудила светлые умы человечества к изобретению и внедрению новых методов производства энергии, источником, для которой, служили бы неисчерпаемые ресурсы: солнце, вода и ветер. Использование каждого такого источника имеет свои преимущества и недостатки, но наиболее доступной и эффективной считается энергия ветра.

Конечно, природа накладывает определённые ограничения на использование ветрогенераторов, и материальные затраты на выработку 1 кВт электричества от энергии солнца и ветра примерно сопоставимы. Но в северных широтах, особенно в прибрежных регионах, использование ветрогенераторов вне конкуренции.

Вопрос целесообразности установки упирается в среднюю скорость ветра по региону. Начиная с 4 м/с установка ветрогенератора считается целесообразной, а при 9-12 м/с он работает с максимальным КПД. Но мощность ветрогенератора зависит не только от скорости ветрового потока (схема 1), но и от диаметра ротора и площади лопастей (схема 2).

к содержанию ↑

Расчёт

Если известна средняя скорость ветра, то манипулируя величинами диаметра винта или его площади, можно вывести подходящую мощность установки, которая необходима.

Р = 2D*3V/7000, кВт, где
P — мощность;
D — диаметр винта в м;
V — скорость ветра в м/сек.

Данная формула расчёта эффективности ветрогенератора справедлива исключительно для крыльчатого — горизонтального типа.

к содержанию ↑

Виды

На данный момент в серийном производстве существует 2 вида ветрогенераторов:

Карусельные — ось вращения располагается вертикально по отношении к направлению ветра. Имеют ряд преимуществ по сравнению с классическими — горизонтальными:
Вырабатывают электроэнергию при небольшой силе ветра;
Не нуждаются в сложных, активных системах направления на поток ветра, как следствие, идеально подходят для местности с турбулентными воздушными потоками;.

Некоторые промышленные модели не нуждаются в высокой мачте, сама ось для лопастей является мачтой. Поэтому удобны в обслуживании;
Низкий уровень шумового загрязнения, до 30 дБ;
Отличный внешний вид.

Но они имеют серьёзный недостаток — тихоходность. Для его преодоления применяют повышающие редукторы, что несколько снижает КПД.

Крыльчатые — горизонтальные ветряки. Этот вид ветрогенератора наиболее распространён при использовании в промышленной выработке электроэнергии.

Преимущества:

Большая скорость вращения, это позволяет соединяться с генератором, что увеличивает КПД;
Простота изготовления;
Большое разнообразие моделей.

Недостатки:

Высокий уровень шумового и ультразвукового загрязнения. Это может быть опасно для здоровья людей. Поэтому генерирующие промышленные мощности располагают в безлюдных местах;
Необходимость применять стабилизатор и устройства наведения на поток ветра;
Скорость вращения находится в обратной пропорции к количеству лопастей, поэтому в промышленных моделях редко используют более трёх лопастей.

Работы по преодолению последнего недостатка ведутся уже довольно давно.

Было разработано и выпущено несколько небольших моделей ветрогенераторов. Их КПД довольно высокий для своего класса мощности, из-за оригинального строения лопасти.

Площадь сопротивления ветру в такой модели минимальна, она может работать при силе ветра и 2 м/с и выдавать при этом 30 Вт. Но учитывая, что на трение и иные потери, в моделях такого класса, уходит до 40% энергии, оставшихся 18 Вт не хватит даже на освещение одной лампочкой. Для использования на даче или в частном доме нужно, что-то серьёзнее.

к содержанию ↑

Выбор модели

Стоимость комплекта ветрогенератора, инвертора, мачты, ШАВРа — шкафа автоматического включения резерва, напрямую зависит от мощности и КПД.

Максимальная мощность кВт	Диаметр ротора м	Высота мачты м	Номинальная скорость м/с	Напряжение Вт
0,55	2,5	6	8	24
2,6	3,2	9	9	120
6,5	6,4	12	10	240
11,2	8	12	10	240
22	10	18	12	360

Как видим для полного или частичного обеспечения усадьбы электричеством необходимы генераторы большой мощности, установить которые самостоятельно довольно проблематично. В любом случае высокие капитальные вложения и необходимость производства работ по монтажу мачты с помощью спецтехники существенно снижают популярность ветровых энергетических систем для частного использования.

Существуют переносные ветрогенераторы малой мощности, которые можно взять с собой в путешествие. Эти модели компактны быстро монтируются на местности, не требуют особого ухода, и дают достаточно энергии, для комфортного времяпрепровождения на природе.

И хоть максимальная мощность такой модели всего 450 Вт, этого достаточно для освещения всего кемпинга и даёт возможность использовать бытовые электроприборы вдали от цивилизации.

Для средних и малых предприятий установка нескольких генерирующих ветровых станций могла бы дать существенную экономию в энергозатратах. Множество европейских фирм занимаются производством продукции такого типа.

Это сложные инженерные системы, требующие профилактики и обслуживания, но их номинальная мощность такова, что может перекрыть нужды всего производства. Для примера в Техасе на самой большой ветроэлектростанции в США всего 420 таких генераторов вырабатывают за год 735 мегаватт.

к содержанию ↑

Новейшие разработки

Прогресс не стоит на месте, и новые разработки поднимают эффективность ветрогенераторов на новую высоту, в буквальном смысле. Одной из самых трудозатратных частей при создании ветровой электростанции был монтаж наземных систем: мачты, генератора, ротора, лопастей. На малых высотах, возле земли ветровые потоки не постоянны, а подъём генерирующих мощностей на большую высоту, делает мачту слишком сложной и дорогой конструкцией.

Теперь этого можно избежать. Компания Makani Power разработала летающий ветрогенератор — крыло, запустив который на большую высоту 550 м, можно получить до 1 МВт электроэнергии в год.

Ветрогенератор бесшумный вертикальный

Ветрогенераторы вертикального типа предназначены для тех мест, где бесшумность работы и надёжность конструкции являются главными требованиями к электроустановкам.

Сочетают в себе комфорт солнечных батарей и эффективность горизонтальных ветрогенераторов.

к содержанию ↑

Введение

Каждый, кто путешествовал на автомобиле по Европе наверняка хорошо запомнил поля ветряков вдоль дорог. Такие ветрогенераторы называются горизонтальным, основная их масса нацелена на промышленное применение в составе целых сетей. Однако использование подобных ветряных электроустановок (ВЭУ) в быту не так распространено даже в развитых странах. Появление новых ветрогенераторов вертикального типа позволяет надеяться на повышение популярности и массовости этого экологического способа получения электроэнергии. Вертикальный ветрогенератор отличается надёжностью, работой даже при слабом ветре, безопасностью и, самое главное, бесшумностью.

к содержанию ↑

Принцип работы

Для работы ротора вертикального ветряка используется эффект магнитной левитации, что позволяет ему фактически парить в воздухе. Применение магнитов из редкоземельных металлов позволяет компенсировать силу тяжести, а специальные автоматизированные системы удерживают механизм в нужной точке.

Такой подход делает возможным начало раскручивания ротора при совсем малых порывах ветра на уровне лёгкого бриза (от 0.17 м/c). Уменьшение количества механических частей существенно повышает надёжность и долговечность всей конструкции, а также положительно сказывается на акустическом комфорте (уровень шума до 20 дб).

к содержанию ↑

Особенности

Многих потенциальных покупателей ветрогенераторов часто останавливает требовательность этих устройств к постоянному наличию ветра достаточной силы. Горизонтальный ветрогенератор стартует в среднем при ветре 7-8 м/c. Вертикальный генератор начинает работу уже при ветре 0.17 м/c, а на номинальную мощность выходит при 3 м/c.

Особенности ротора и лопастей, созданных с использованием принципов паруса, Савониса и Жуковского, позволяют осуществлять выработку электроэнергии при любом направлении и силе ветра.

Ветряки вертикального типа практически не требуют технического обслуживания. В работе используется тихоходный генератор на неодимовых магнитах без щёток. Классические горизонтальный генератор потребует технического обслуживания каждые полгода.

В требованиях к установке вертикального ветряка отсутствуют пункты о шумоизоляции или минимальном расстоянии до жилых объектов. Бесшумный режим работы достигается за счёт применения эффекта магнитной левитации, который позволяет свести на нет практически все вибрации и добиться шумовой нагрузки меньше 20 дб. Мачту ветряка можно установить даже на крышу дома, так как генератор практически бесшумный.

Многие вертикальные ветрогенераторы имеют модульную конструкцию. Это позволяет наращивать мощность уже существующих ветряков без полной перестройки проекта.

Для многих пользователей ветроустановки важно, чтобы генератор был устойчивым к агрессивной окружающей среде. Вся рабочая конструкция заключена в герметичный алюминиевый блок и не подвержена воздействию влаги. Кроме того, сама конструкция вертикального ветряка даёт возможность переносить даже ураганные порывы ветра.

к содержанию ↑

Минусы

Вертикальный ветрогенератор обладает рядом достоинств, но идеальных устройств пока сделать не удалось никому. Технологии позволяют улучшить отдельные моменты, но зачастую чем-то приходится жертвовать. Вертикальные ветрогенераторы не исключение, поэтому важно понимать какие минусы есть у данного класса устройств.

Одним из главных недостатков вертикального ветряка является низкий КПД в сравнении с горизонтальным ветрогенератором. Диапазон в 15-25% достаточно солидный в сравнении с солнечными батареями, но уступает горизонтально осевым ВЭУ, которые показывают КПД 35-45%. Цена одного ватта вырабатываемой энергии также уступает зачастую в несколько раз.

Вертикальный ветрогенератор достаточно сложная конструкция, что негативно сказывается на весе, а это, в свою очередь, затрудняет подъём устройства на большую высоту. Из-за этого появляются проблемы при «ловле» ветра, так как сильные порывы наблюдаются чаще всего на хорошей высоте. Выиграв в нижней границе старта ротора, можно проиграть из-за более низкой скорости ветра на высоте мачты вертикального ветряка.

Основные плюсы вертикальной схемы в принципе достижимы и в горизонтальных вариантах. Небольшое увеличение бюджета поспособствует установке дополнительной шумоизоляции и систем подстройки под направление ветра, исследованию розы ветров региона и выбору оптимальной высоты мачты.

к содержанию ↑

Области применения

Однозначно советовать именно вертикальные ветрогенераторы нельзя, всё зависит от того где планируется применять ВЭУ. Если позволяет пространство, на местности наблюдается стабильный хороший ветер и есть варианты для шумоизоляции, то горизонтальный ветрогенератор небольшой мощности с одной лопастью станет отличным выбором.

Использовать вертикальный ветрогенератор следует тогда, когда его главные преимущества действительно являются краеугольными в проекте. Самый яркий пример — вертикальный генератор на яхте. Отсутствие вибраций, низкий шум и возможность установки на любую поверхность сделают вертикальный ВЭУ незаменимым для любого транспортного средства, которое используется для длительных путешествий. Таким образом, основными критериями выбор в пользу вертикальной схемы можно назвать — близкое расположение ВЭУ к жилому объекту, стеснённость в пространстве установки, слабый ветер в области установки. В этом случае тихоходные бесшумные ветряки станут отличным выбором.

Полезная статья по теме: Преимущества и недостатки вертикальных ветроустановок в сравнении с «пропеллерами»

Оцените статью:

Загрузка…

Поделитесь с друзьями:

выбираем маленький ветряной генератор для дома, принцип работы и устройство

Ветряные генераторы уже не представляют собой ничего экзотичного – сейчас их используют и расценивают как наилучшую возможность сэкономить. В статье рассмотрим популярные модели мини-ветрогенераторов для дома, особенности их устройства и принцип работы.

Особенности

Даже мини-ветрогенератор с легкостью преобразовывает всю ту энергию, которую несет в себе ветер. Успешное использование данных установок уже зарекомендовало себя благодаря тому, что их можно использовать как в частных домах, дачах и загородных постройках, так и на производствах и больших фабриках.

Ветряку для того чтобы получить электроэнергию, не нужны топливо и солнце. Это заставляет задуматься о том, как они работают, и какие предложения есть на рынке данных устройств.

Еще к одной особенности ветряного генератора можно отнести то, что его мощность напрямую зависит от размера окружности, что формируют его лопасти. Если увеличить ее диаметр в 2 раза, то при сохранении прежней скорости ветра электроэнергии, которую будет производить генератор, будет в 4 раза больше.

Принцип работы

Конструкция и принцип работы старых ветряных мельниц уверенно перекочевали к их современным последователям – ветряным электрогенераторам.

Сила ветра, вращающая лопасти, заставляет двигаться ось, к которой эти лопасти прикреплены, а она уже, в свою очередь, двигает шестерни и механизмы внутри мельницы.

В наши дни ветряные мельницы для производства электричества устроены практически так же, только энергия ветра заставляет вращаться ротор.

Рассмотрим более детально, как происходит преобразование ветра в электроэнергию.

Первичный вал с редуктором начинает вращаться от силы ветра, который толкает лопасти и заставляет их совершать обороты. Затем момент вращения передается на оборудованный магнитами ротор. Благодаря такой последовательности действий в статорном кольце образуется переменный ток.
При выработке электроэнергии в таком количестве необходимы аккумуляторы. Для того чтобы заряжать в безопасном режиме, необходим выпрямитель тока, который позволяет избежать скачков напряжения и увеличивает срок службы аккумуляторных батарей.
Чтобы создать привычное нам напряжение в 220 В, из аккумуляторов ток подается в инвертор, а затем уже к конечным потребителям. Чтобы ветряк всегда ловил наиболее сильный ветер, устанавливают хвост, который разворачивает лопасти по ветру. Всевозможные датчики позволяют современным моделям иметь системы торможения, складывания и отвода лопастей от ударов ветра.

Виды

Различные виды ветряных мельниц классифицируют по количеству лопастей, по материалу, из которого эти лопасти изготовлены, по шагу винта и еще ряду критериев. Независимо от того, как расположена ось вращения генератора, принцип его работы остается одинаковым для любого вида. Но в основном их разделяют по выбору расположения оси или вала.

Горизонтальный вид. Это когда поверхность земли расположена параллельно оси вращения генератора.

Вертикальный вид. У этого вида ветряков вращающий вал расположен перпендикулярно поверхности земли, а лопасти расположены вокруг него.

Составная часть пропеллера или ветроколеса у современных ветряных генераторов может состоять из разного количества лопастей. Уже признано устоявшимся утверждение, что пропеллеры с количеством лопастей до трех вырабатывают большое количество тока лишь при сильном ветре, в то время как многолопастные ветрогенераторы могут довольствоваться небольшими потоками воздуха.

Обзор моделей

Российский рынок отличается большим ассортиментом ветряных генераторов. Перед выбором стоит сравнить характеристики представленных моделей и варианты их применения. Разнообразие устройств представляет солидный ряд, в котором стоят как небольшие ветрогенераторы для дома, так и изделия для промышленного использования более крупных размеров.

Ветряные генераторы Condor Home. Ветряки предназначены для использования в домашних условиях, мощность 0,5-5 кВт. Эти станции предназначены для использования при низких температурах, а также продуцируют энергию при слабых порывах ветра. Служат как основным, так и вспомогательным источником электричества на участке.

Маленькие электростанции Falcon Euro. Чаще всего используются в комплексе с солнечными батареями или другими источниками энергии в случае значительного удаления от линий электропередач. Линейка моделей представлена технологичными ветряными генераторами преимущественно с вертикальными валами мощностью 1-15 кВт.

Генераторы Sokol Air Vertical. Небольшие ветровые установки способны обеспечить электричеством как небольшие дома, так и средние производственные здания. Данные электростанции выпускаются с мощностью 0,5-15 кВт.

Ветрогенераторы Energy Wind. Данные ветряки замечательно себя зарекомендовали как прекрасный вариант для электрообеспечения жилых домов, коттеджей и жилых построек. Есть как однолопастные, так и трёхлопастные модели с различной мощностью – 1-10 кВт.

Ветряные мельницы Altek ЕВ. Сегмент загородных домов и дач покорили эти ветротурбины с горизонтальным валом вращения. Номинальная мощность от 1 до 10 кВт. Превосходно подходит для решения задач снабжения электричеством дачные участки.

Как выбрать?

Чтобы выбрать ветряную электростанцию, необходимо определиться с некоторыми пунктами, которые будут влиять на принятие решения. Все расчеты и подобные вычисления требуют большого внимания: нужно собрать и обработать важную информацию.

Необходимо рассчитать максимальное и минимальное количество электричества, которого хватит для комфортного обеспечения объекта.
Изучить показатели ветра в разное время года, выявить безветренные периоды и понять, какие нужны аккумуляторы, когда энергию от ветряной мельницы нужно заменить чем-то другим.
Учитывайте в первую очередь климатические и географические характеристики региона. В том случае, если будут сильные заморозки, ветряной генератор будет нерентабелен.
Хорошо изучить рынок, провести сравнение подходящих вам генераторов от всех производителей. И не забывайте про такой показатель, как шум при работе ветрогенератора.

Полный переход на такие электростанции для жилых домов на значительном удалении от линии электропередач не решит проблему целиком. Но может быть отличной альтернативой и выходом из положения в определенных ситуациях, а иногда и единственным способом обеспечить электричеством свой участок. Для того чтобы выбор оказался максимально оправдан, следует учесть каждую характеристику – от размеров, уровня шума, емкости аккумуляторов до способа установки, необходимой для работы скорости ветра и количества вырабатываемого электричества.

Подробнее о ветрогенераторе смотрите в следующем видео.

Ветрогенератор — как выбрать ветряк

С целью экономии расходов на электроснабжение на производствах и в частных домах устанавливают ветрогенераторы. В данной статье рассмотрим основные характеристики, разновидности и принцип работы ветрогенераторов.

Устройство и принцип работы ветрогенератора

Основные составляющие ветрогенератора:

1. Генератор — преобразователь механической энергии в электрическую. Генератор заряжает аккумуляторные батареи. Чем выше скорость ветра, тем быстрее заряжаются батареи.

2. Лопасти ветрогенератора — часть ветрогенератора, которая подвергается силе ветра, а затем воздействует на генераторный вал.

3. Мачта — устройство на котором крепится генератор и лопасти. От высоты мачты зависит скорость и устойчивость работы ветрогенератора.

Дополнительные компоненты ветрогенератора:

1. Контроллеры — устройство управления ветрогенератором, отвечающее за направление лопастей, особенности заряда аккумулятора, защиту ветрогенератора. Основной функцией контроллера является преобразование переменной энергии в электрическую постоянную.

2. Батареи аккумулятора — приборы для накапливания энергии, которую используют в то время когда отсутствует ветер. Еще одной функцией аккумулятора выступает выравнивание и стабилизация энергии, вырабатываемой генератором. Аккумуляторные батареи обеспечивают электропитание.

3. Анемоскопы или устройства измерения направления ветра — собирают и обрабатывают данные о скорости, направлении и порывах ветра. Анемоскопы устанавливают на более мощных ветрогенераторах, предназначенных для переработки большого количества энергии.

4. Автоматические регуляторы питания предназначены для объединения ветрогенератора, электросети, дизельного генератора или других источников энергии.

5. Инверторы — устройства для переработки постоянного тока в переменный, предназначенный для работы бытовой и электротехники.

При попадании ветра на лопасти ветрогенератора происходит вращение устройства. Во время работы ветрогенератора вырабатывается переменный ток, который попадает в контроллер и перерабатывается в постоянный. Постоянный ток заряжает аккумуляторы, которые обеспечивают электричеством частный дом или большое предприятие. Но, для работы большинства электроприборов необходим переменный однофазный или трехфазный ток, который образуется в инверторе.

Варианты использования ветрогенератора в системе электроснабжения:

работа ветряка с аккумулятором в автономном режиме;
параллельная работа ветрогенератора на аккумуляторах и солнечных батареях;
работа ветрогенератора с параллельным использованием резервного (дизельного, бензинового или газового) генератора;
параллельная работа ветрогенератора и обычной электросети.

Преимущества использования ветрогенератора:

получение экологически чистой, безопасной и надежной электроэнергии,
снижение расходов оплаты за электричество;
бесшумность работы устройства;

наибольшее количество энергии ветрогенератор производит осенью или зимой, во время большей востребованности электричества для обогрева помещений;
цена на ветрогенераторы намного ниже, чем стоимость альтернативных источников получения электроэнергии;
возможность ветрогенератора параллельно работать с другими источниками электроэнергии;
возможность выбора мощности ветроустановки, в зависимости от типа местности и количества необходимой электроэнергии;
возможность использования ветрогенераторов на яхтах или кораблях;
потратившись один раз на ветроустановку, обеспечивается электроснабжение минимум на 20 лет.

Разновидности ветряков

В зависимости от размещения турбин выделяют ветрогенераторы:

вертикального типа,
горизонтального типа.

Ветрогенератор вертикального типа имеет вертикально размещенную турбину, по отношению к поверхности земли, а горизонтальный наоборот. Вертикальный ветрогенератор легко улавливает самые малейшие дуновения ветерка, а горизонтальный — более мощный, по преобразованию энергии.

Разновидности вертикальных ветрогенераторов:

1. Изобретение вертикального ветрогенератора принадлежит шведскому изобретателю Савониусу. Вертикальный ветряк состоит из двух цилиндров, которые имеют вертикальную ось вращения. Независимости от силы и направления ветра вертикальный ветряк постоянно вращается вокруг своей оси. Основным недостатком вертикального ветрогенератора является неполное использование ветровой энергии. Во время исследований было выявлено, что вертикальный ветряк использует только третью часть ветровой энергии.

2. Вертикальный ветряк с наличием ротора Дарье был изобретен на несколько десятков лет позже обычного. Роторный ветрогенератор имеет две или три лопасти и ротор. Ветрогенераторы с ротором просты в изготовлении и легки в монтаже. Главным недостатком такого ветрогенератора является то, что ротор нужно запускать вручную.

3. Ветрогенератор с вертикальной осью вращения и с наличием геликоидного ротора — имеет закрученные лопасти. которые обеспечивают равномерное вращение ветрогенератора. Преимущество: уменьшение нагрузки на подшипники, тем самым увеличение срока службы устройства. Недостатки: высокая стоимость, сложность монтажа.

4. Вертикальный ветрогенератор с наличием многопластного ротора — самое эффективное устройство по переработке ветровой энергии. Имеет сложный ротор, который состоит из большого количества лопастей.

5. Ортогональные ветрогенераторы не требуют большой скорости ветра. Для работы такого устройства подойдет скорость ветра от 0,7 м/с. Ортогональные вертикальные ветроустановки имеют высокие технические характеристики, бесшумное вращение мотора и интересный дизайн. Устройство ортогонального ветрогенератора основывается на вертикальной оси вращения и на нескольких лопастях, которые удалены от оси на определенном расстоянии. Несмотря на большое количество преимуществ, ортогональная ветроустановка имеет недостатки:

небольшой строк службы опорных узлов;
лопасти более массивные, чем у обычных ветрогенераторов;
большой вес установки затрудняет монтаж устройства.

Горизонтальные ветрогенераторы имеют более высокий коэффициент полезного действия. Главным недостатком горизонтальных ветрогенераторов является необходимость в постоянном поиске ветра при помощи флюгеля, который устанавливается отдельно от устройства.

Горизонтальные ветрогенераторы разделяют на:

устройства однолопастного типа — характеризуются высокими оборотами вращения, имеют небольшой вес и легкую конструкцию;
ветрогенераторы двухлопастного типа — по устройству схожи с однолопастными, только отличаются количеством лопастей;
ветряки трехлопастного типа имеют наибольшую мощность около 7 мВт, считаются одними из самых популярных среди ветрогенераторов, предназначенных для дома;
многолопастные ветрогенераторы имеют от четырех до пятидесяти лопастей, данные устройства используют для обеспечения работы водяных установок.

В соотношении с количеством лопастей все ветрогенераторы подразделяются на:

однолопастные,
двухлопастные,
трехлопастные,
многолопастные.

По материалам, из которых состоит ветрогенераторная установка выделяют:

ветрогенераторы парусного типа,
ветрогенераторы жесткого типа, изготовлены из стекловолокна или металла.

В зависимости от шагового признака винта ветрогенераторы разделяют на:

устройства измеряемого шага,
устройства фиксированного шага.

Ветрогенератор на основе изменяемого шага имеет довольно сложную конструкцию, но в то же время увеличенную скорость вращения. Ветрогенератор с фиксированный шагом отличается надежностью и простотой.

Все ветрогенераторы условно разделяют на два вида:

ветрогенераторы промышленного типа;
домашние ветрогенераторы.

Промышленные ветряки используют для получения большого количества электроэнергии. Для устройства ветрового парка, состоящего из нескольких десятков или сотен ветрогенераторов требуется тщательное обследование местности, которое проводят на протяжении года или двух. Промышленные ветрогенераторы позволяют получать электроэнергию для обеспечения электричеством нескольких десятков домов или определенного производства.

Ветрогенератор для дома — позволяет значительно снизить расходы на электроснабжение и обеспечивает независимость от работы общей электросети.

Конструкция низкоскоростной ветряной турбины

1. Введение

Ветровые турбины используются для производства электроэнергии уже более ста лет. Недавние опасения по поводу цен и воздействия ископаемого топлива на окружающую среду стимулировали распространение ветряных турбин в широком диапазоне мощностей. Сегодня в продаже имеется широкий спектр коммерческих ветроэнергетических систем. Однако даже турбины с более низкой номинальной мощностью обычно рассчитаны на относительно высокие скорости ветра, обычно от 10 до 15 м / с [4].При более низких скоростях ветра, типичных для многих внутренних территорий Юго-Восточной Азии, коммерчески доступные ветроэнергетические системы не производят значительного количества энергии. Это либо исключает их использование, либо приводит к очень неэффективному извлечению энергии в регионах с более низкой скоростью ветра. При тщательном проектировании турбины и генератора, при более низких скоростях ветра возможно производство электроэнергии, значительно превышающей промышленные турбины. Это позволит использовать энергию ветра в отдаленных районах Юго-Восточной Азии и во всем мире, где преобладают низкие скорости ветра.Это будет включать питание для удаленных станций метеорологической телеметрии, ретрансляторов, сельских жителей и школ, а также приложений, требующих безискровых источников питания, например, вблизи мест добычи, переработки, заправки и транспортировки нефти и военных постов. Эта глава специально посвящена проектированию систем турбин с низкой скоростью ветра. Поскольку доступная мощность ветра значительно ниже при низких скоростях ветра, мы сосредоточимся на меньших турбинах в диапазоне менее 1 кВт.

2. Ветровая энергия

Ветровая энергия, улавливаемая турбиной, обычно выражается как функция от рабочей площади турбины и коэффициента производительности, плотности воздуха и скорости ветра [8]

Pturb = ½ Cpρ A V3E1

Где:

P _turb — механическая мощность турбины в ваттах

C _p — безразмерный коэффициент полезного действия

ρ — плотность воздуха в кг / м ³

A — рабочая площадь турбины в м ²

V — скорость ветра в м / с

Для ветровых площадок около уровня моря атмосферное давление составляет примерно 1.18 кг / м ³ и уменьшается с высотой. Коэффициент полезного действия зависит от конструкции турбины и имеет теоретический верхний предел 0,593, называемый пределом Беца [5]. Большинство ветряных турбин мощностью менее 10 кВт рассчитаны на скорость от 8 до 12 м / с. Коэффициент полезного действия коммерческих малых турбин обычно находится в диапазоне от 0,25 до 0,45 в зависимости от номинальной мощности, частоты вращения и диаметра изготовителя. Мощность турбины прямо пропорциональна рабочей площади, следовательно, она пропорциональна квадрату длины лопатки.Однако фактор, оказывающий наибольшее влияние на мощность турбины, — это скорость ветра. От скорости включения турбины до номинальной частота вращения турбины пропорциональна кубу скорости ветра. Это означает, что скорость ветра 10 м / с будет в восемь раз сильнее ветра 5 м / с. Вот почему большинство турбин имеют довольно высокую скорость ветра: это самый простой способ добиться высокой выходной мощности.

3. Малые турбины

Малые турбины имеют ограниченное разнообразие конструкций из-за ограничений по стоимости и производительности.Наиболее распространенная конструкция — это регулируемая, регулируемая скорость, горизонтальная ось, 3-лопастная машина с фиксированным шагом и постоянным магнитом с прямым приводом [3]. Регулирование шага лопастей будет трудно оправдать с экономической точки зрения, поэтому лопасти имеют фиксированный шаг и оптимизированы для выработки энергии при номинальной скорости. Это приводит к худшим характеристикам на более низких скоростях, чем может быть достигнута турбиной с активным регулированием шага. Максимальная скорость турбины определяется скоростью ветра и приложенной нагрузкой.Обычно контроллер мощности все еще требуется для предотвращения превышения скорости турбины и чрезмерной зарядки батарей. Этот контроллер мощности может также включать схему согласования мощности, позволяющую оптимизировать отбор мощности от ветряной турбины при различных скоростях ветра [6]. Превышения скорости турбины можно избежать за счет приложения к генератору разгрузочной нагрузки с низким сопротивлением, увеличения крутящего момента нагрузки на турбину, замедления лопастей и, как следствие, аэродинамического срыва.

Рис. 1.

Схема типичной малой ветроэнергетической системы, включая ветряную турбину, систему хранения и нагрузки

3.1. Коммерческие малые турбины

Существуют существенные различия между тем, как различные производители заявляют спецификации турбин, однако обычно понимается, что турбина будет вырабатывать номинальную мощность при номинальной скорости ветра. На основе обзора данных, опубликованных для малых ветряных турбин, мы выбрали следующие типовые технические характеристики коммерческих турбин:

Диаметр турбины	м	1,6	2.7	5,5
Номинальная скорость ветра	м / с	10	10	10
Номинальная мощность	Вт	300	1000	5000
Номинальная частота вращения турбины	об / мин	400	300	200
Расчетная мощность при 3 м / с	Вт	8	27	135
Коэффициент производительности		0.25	0,30	0,36

Таблица 1.

Типичные технические характеристики промышленных турбин

Когда эти турбины устанавливаются в более слабом ветровом районе, фактическая производимая мощность будет значительно меньше номинальной. Например, в большей части Юго-Восточной Азии средняя скорость ветра составляет всего 3 м / с. Хотя это может быть ниже скорости отключения турбин (самой низкой скорости, на которой они могут производить мощность), если предположить, что мощность пропорциональна кубу скорости ветра, мы можем рассчитать теоретическую выработку энергии при 3 м / с, как указано в таблице.Видно, что выработка электроэнергии этими машинами намного ниже номинальной мощности, что подчеркивает необходимость оптимизации турбины для регионов с низкой скоростью ветра.

3.2. Анализ скорости, мощности и Cp

Одним из важнейших факторов, влияющих на производительность турбины, является угол наклона лопаток. Угол наклона — это угол между лопастью и плоскостью вращения. Угол атаки — это угол между хордой профиля и относительным ветром, как показано на рисунке 2.

Рисунок 2.

Вектор ветра, движение лопасти, угол тангажа и угол атаки.

Для большинства аэродинамических поверхностей подъемная сила максимальна при угле атаки от 10 до 15 градусов. Очевидно, что угол атаки будет зависеть от скорости ветра и скорости турбины. Удобным параметром при анализе характеристик турбины является коэффициент скорости наконечника (TSR), который определяется как линейная скорость наконечника лопатки турбины, деленная на преобладающую скорость ветра. Для данной скорости ветра меньший угол наклона приведет к более высокому TSR при максимальной подъемной силе.Больший угол наклона будет иметь тенденцию давать максимальный подъем и, следовательно, больший крутящий момент при более низком TRS [11]. В конечном итоге более высокие коэффициенты производительности достигаются за счет лопастей с меньшим углом наклона и более высоким TRS, однако за счет низкого крутящего момента, что приводит к более высокому сокращению скорости.

При очень низких скоростях ветра турбина производит слишком маленький крутящий момент для преодоления трения. Как только скорость ветра становится достаточной для вращения турбины, выходная мощность приблизительно пропорциональна кубу скорости ветра.Это остается верным до номинальной скорости. Выше этой скорости выработка электроэнергии стабилизируется, а с турбинами с регулируемым срывом фактически снижается по мере увеличения скорости ветра. Наконец, при еще более высокой скорости ветра, скорости закрутки, турбина выключается, чтобы избежать повреждения машины. Типичная кривая мощности турбины показана на рисунке 4.

Рисунок 3.

Изменение коэффициента мощности в зависимости от угла атаки в зависимости от TSR.

Рисунок 4.

Мощность турбины в зависимости от скорости ветра.

Напряжения в турбине связаны с ветровой нагрузкой, вызывающей изгиб лопасти в направлении ветра, центробежные силы, радиальное вытягивание лопастей наружу и различные динамические напряжения. Центробежные силы пропорциональны весу лопасти, длине лопасти и квадрату скорости турбины и ограничивают максимальную скорость турбины. Если исходить из схожих материалов и конструкции лезвия, для достижения того же уровня нагрузки более крупное и тяжелое лезвие должно будет вращаться с меньшей скоростью, чем меньшее лезвие.Эта максимальная скорость работы турбины становится одним из ограничивающих факторов в ветряной турбине, требуя либо чрезвычайно прочной конструкции, либо активной системы управления скоростью. Системы управления срывом механически просты в реализации и поэтому распространены в небольших турбинных системах. Когда скорость ветра превышает номинальную, на выход генератора прикладывается большая электрическая нагрузка, обычно это группа резисторов большой мощности. Это увеличивает крутящую нагрузку на турбину, замедляя ее. По мере уменьшения TSR угол атаки увеличивается выше оптимального, и подъем падает, когда лопасть начинает глохнуть.Это впоследствии снижает крутящий момент турбины, еще больше замедляя ее. Этот метод доказал свою эффективность в предотвращении превышения скорости в небольших турбинах.

4. Конструкция ветряных турбин с малой скоростью ветра

Как указывалось ранее, проблема заключается в том, что существующие промышленные турбины обычно рассчитаны на скорость ветра, значительно превышающую типичную скорость ветра для большей части планеты. Вместо того, чтобы просто исключать энергию ветра из сценария потенциальной энергии для этих регионов, мы хотели бы спроектировать небольшую ветряную турбину специально для регионов с низкой скоростью ветра [9].Большая часть Юго-Восточной Азии (ЮВА) находится в регионе с относительно низкой скоростью ветра. Данные о скорости ветра с испытательного полигона в Малайзии показаны на рисунке 5. Вероятность ветровой энергии получается путем умножения вероятности скорости ветра на куб скорости ветра. Наибольшая вероятность энергии ветра составляет примерно 3 м / с. При такой скорости ветра коммерческие турбины будут вырабатывать очень мало энергии.

Рис. 5.

Вероятность ветра и нормализованная ветровая энергия на испытательном полигоне с низкой скоростью ветра

Для улучшения извлечения энергии ветряная турбина требует фундаментальной модернизации.Уравнение 1 дает нам первое указание, как действовать дальше. Для заданной скорости ветра нам остается изменить площадь турбины и оптимизировать коэффициент полезного действия. Контроль за плотностью окружающего воздуха выходит за рамки этого текста. Удлинение лопаток увеличит площадь поперечного сечения турбины, увеличивая мощность турбины. Однако это также увеличит нагрузку на турбину и, как правило, приведет к снижению скорости вращения. Производство электроэнергии от генератора пропорционально квадрату скорости вращения, поэтому может быть выгодно регулировать угол наклона, чтобы максимизировать TRS и, таким образом, увеличить скорость генератора.При низких скоростях ветра и ступица турбины, и генератор потребуют повторной оптимизации для более крупных лопастей, необходимых для достижения разумного уровня выработки энергии.

4.1. Общая конструкция турбины

В качестве отправной точки для проектирования мы выберем систему, способную обеспечивать электроэнергией типовое сельское жилище, типичное для отдаленных регионов ЮВА. В таких домах обычно используются автомобильные свинцово-кислотные аккумуляторные батареи для питания электрического освещения, радио и телевидения. Эти батареи еженедельно доставляются на дизель-генераторную станцию для подзарядки.Еженедельная транспортировка аккумуляторов — значительная нагрузка для сельских жителей, которую можно облегчить с помощью ветроэнергетической установки. С улучшением доступа к электроэнергии потребление электроэнергии, вероятно, значительно увеличится. Дополнительная мощность, вероятно, будет направлена на улучшенное освещение и дополнительные приборы, такие как вентиляторы и даже холодильники. Фактическая требуемая мощность будет варьироваться в широких пределах, но мы предполагаем, что типичный дом будет потреблять примерно 1 кВтч в день.

Ветроэнергетическая система должна иметь достаточную емкость для хранения, по крайней мере, на одну неделю без выработки электроэнергии, поэтому нам требуется не менее 7 кВтч аккумуляторов электроэнергии. Как и в большинстве небольших приложений для электроснабжения вне сети, энергия будет храниться в автомобильных батареях на 12 В. Чтобы минимизировать потери при передаче электроэнергии, мы выберем самое высокое напряжение в системе, которое считается безопасным для таких приложений. Рабочее напряжение 48 В может быть достигнуто с 4 батареями, включенными последовательно, а ограничение накопителя энергии в 7 кВт · ч превращается в емкость батареи около 150 А · ч, аналогичную обычным аккумуляторам для грузовиков.

При хорошем визировании турбины на вершине холма в некоторых прибрежных районах Юго-Восточной Азии возможна пиковая мощность около 5 м / с. По долгосрочным измерениям мы можем определить, что ветер может достигать этой целевой скорости около 20% времени, или 4,8 часа в день. Предполагая, что турбина должна вырабатывать примерно на 1/3 больше мощности, чем требуется в день, чтобы компенсировать потери в системе, нам потребуется около 1,3 кВт · ч в день производства электроэнергии. При выработке электроэнергии 4,8 часа в сутки система должна будет вырабатывать примерно 270 Вт при скорости ветра 5 м / с.Предполагая КПД генератора 80% и Cp 0,29, из уравнения 1 мы можем определить площадь турбины 15,9 м ², что дает длину лопатки примерно 2,25 м. Если мы примем обычный TSR около 8, турбина будет вращаться со скоростью 170 об / мин. На основании некоторых первоначальных измерений было определено, что для обычной конструкции генератора потребуется гораздо более высокая частота вращения для достижения желаемой выходной мощности, поэтому мы будем стремиться к удвоению этой скорости, или 340 об / мин. Эксплуатационный TSR будет оптимизирован за счет регулировки шага лопаток турбины во время полевых испытаний системы, но мы будем стремиться к TSR равному 16, что вдвое превышает обычное соотношение.Рабочий ток генератора в этот момент будет примерно 5,8 А.

Используя существующие конструкции малых турбин [1], генератор должен быть трехфазным, синхронным с осевым потоком, генератором с постоянными магнитами. Мы выбрали 12-полюсную конструкцию с никелированными магнитами NdFeB толщиной 25 x 50 мм и толщиной 11 мм. Генератор основан на подшипнике автомобильного колеса и дисковом тормозе, что определяет диаметр ротора. Исходные характеристики турбины приведены в таблице 2.

Скорость ветра	м / с	5
Мощность	Вт	272
Balde Legnth	м	2.25
Cp		0,29
Скорость генератора	об / мин	340
КПД генератора	%	80
Напряжение	В	48
Ток	A	5,8
Полюса		12
Фазы		3
Внутренний диаметр ротора	мм	125
Внешний диаметр ротора	мм	360

Таблица 2.

Начальные спецификации ветряной турбины и генератора

5. Экспериментальные результаты

Взяв за отправную точку хорошо разрекламированную конструкцию небольшой турбины Хью Пиггота, мы изучили несколько параметров генератора и турбины, чтобы оптимизировать конструкцию для более низкой скорости ветра [ 10]. Генераторные измерения проводились на динамометре с приводом от электродвигателя, что позволяло одновременно измерять как механическую, так и электрическую мощность. Последний генератор затем был введен в эксплуатацию на турбине с регулируемым шагом лопаток.Выходная мощность турбины измерялась вместе со скоростью ветра для оптимизации турбины.

5.1. Оптимизация генератора

Первоначально было выполнено базовое исследование напряжения холостого хода. Несколько катушек с различным числом витков были изготовлены из покрытого эмалью магнитной проволоки диаметром 1 мм. В каждом случае катушки были намотаны на сердечник овальной формы размером 20 x 40 мм, немного меньший, чем магниты ротора. Толщина катушки в осевом направлении, определяющая толщину статора, поддерживалась постоянной и составляла 10 мм.По мере увеличения размеров катушек расстояние между соседними катушками уменьшается, в результате чего максимальный размер катушки составляет примерно 150 x 100 мм. Как видно на рисунке 6, напряжение холостого хода линейно увеличивается с количеством витков.

Рис. 6.

Зависимость напряжения холостого хода отдельной катушки от числа витков при 50 об / мин

Если бы катушкам было позволено увеличиваться в размерах, в конечном итоге противоречивый поток от соседних пар магнитов мог бы попасть в большие катушки, уменьшив общий поток и, следовательно, напряжение .При нынешней конструкции катушки максимально возможного размера для заданной толщины статора будут обеспечивать максимальную мощность.

Для максимальной передачи магнитного потока через катушки двигателей и генераторов катушки имеют сердечники из ламинированного мягкого железа или других магнитопроводящих материалов в электроизоляционной конструкции (для уменьшения вихревых токов). Эти сердечники из мягкого железа обеспечивают путь с низким сопротивлением для магнитного потока, проходящего через катушки. Однако это также вызовет значительный «зубчатый» крутящий момент, поскольку магниты имеют тенденцию застревать в положениях над сердечниками [10].Высокий крутящий момент увеличивает скорость вращения турбины, поэтому большинство низкоскоростных турбин производятся без магнитных материалов в сердечниках, что приводит к катушкам с «сердечником» или «воздушным сердечником». Хотя полезность этого оценивается, мы решили протестировать как катушку с воздушным сердечником, так и идентичную катушку с сердечником из стальной эпоксидной смолы. Было обнаружено, что эта эпоксидная смола имеет очень высокое электрическое сопротивление и значительную магнитную восприимчивость. Сердечники были испытаны на динамометре генератора, вращающемся со скоростью 125 об / мин, результаты представлены в таблице 3.Поскольку была установлена только одна катушка, в результате мощность и КПД были очень низкими. Как электрическая, так и механическая мощность увеличиваются при использовании эпоксидной смолы в сердечнике катушки, как и ожидалось из-за большей передачи магнитного потока. Эффективность катушки с эпоксидным сердечником также немного выше, чем у катушки с воздушным сердечником. Крутящий момент от зубчатого зацепления был значительно меньше трения подшипника ротора, поэтому катушки с эпоксидным сердечником были выбраны для окончательной конфигурации генератора.

	Крутящий момент (Нм)	Механическая мощность (Вт)	Напряжение (В)	Ток (A)	Электрическая мощность (Вт) )	КПД
Эпоксидная катушка	1.13	14,2	2,3	0,98	2,25	0,16
Воздушный змеевик	0,91	11,4	1,9	0,81	1,54	Таблица 2 0,14

между воздушным сердечником и катушками с металлическим эпоксидным сердечником

Другой важной оптимизацией была осевая толщина статора. Более толстый статор допускает большее количество витков провода, увеличивая выходное напряжение, однако для этого также потребуется большее расстояние между роторами.Поскольку роторы разнесены дальше друг от друга, больший поток от магнитов будет иметь тенденцию к «короткому замыканию» на соседние магниты, а не через статор к магниту на противоположном статоре [3]. Эта ситуация показана на рисунке 7.

Рисунок 7.

Боковое короткое замыкание магнитного потока на соседние магниты увеличивается (справа) с увеличением расстояния между роторами.

Индуцированное напряжение на оборот можно увидеть, как быстро падает по мере того, как роторы разнесены дальше друг от друга на рисунке 8.

Рисунок 8.

Напряжение на оборот в зависимости от расстояния между роторами при 125 об / мин

Для данного расстояния между роторами существует максимальное количество витков катушки, которое может поместиться между роторами. Между поверхностями магнита и статором предусмотрен запас 2,5 мм, чтобы избежать физического контакта и позволить потоку воздуха охладить катушки статора. Таким образом, для 10-миллиметрового расстояния между роторами толщина статора ограничена 5 миллиметрами, что дает около 50 витков на катушку.

Катушки толщиной 5, 10 и 15 мм были подготовлены для разделения ротора 10, 15 и 20 мм соответственно.Эти катушки были затем испытаны на динамометре генератора при 125 об / мин, что дало данные таблицы 4.

Расстояние между роторами (мм)	10	15	20
Кол-во катушек Обороты	50	100	150
Полное напряжение холостого хода (v)	2,25	3,7	3,6
Толщина рулона (мм)	5	10	15

Таблица 4.

Напряжение холостого хода и параметры катушки для различных расстояний между роторами.

По мере приближения роторов друг к другу магнитный поток, проходящий через катушку, увеличивается, создавая более высокое напряжение холостого хода на один виток катушки. Однако меньшее разделительное расстояние приводит к меньшему количеству витков на катушку. Для достижения максимального напряжения холостого хода необходимо найти компромисс между количеством витков и расстоянием между роторами. Как показано в таблице 4, расстояние между роторами 15 мм дает максимальное напряжение холостого хода.

Генератор был изготовлен с катушками максимального размера в 10-миллиметровом статоре, а сердечники были заполнены эпоксидной смолой на металлических подшипниках. Затем генератор был испытан на динамометре с различными нагрузками. На рисунке 9 показаны результаты измерений электрической мощности при подключении генератора к нагрузкам с различным сопротивлением.

Рис. 9.

Зависимость мощности от скорости вращения для различных нагрузок

Максимальная мощность системы была получена с нагрузкой 6 Ом, которая приблизительно равна внутреннему сопротивлению статора, поскольку сопротивление на катушку равно 0.67 Ом и 9 катушек последовательно. Наш первоначальный дизайн требовал примерно 270 Вт мощности при 340 об / мин. Эта мощность была выше возможностей динамометра с относительно малой мощностью, но попадает в диапазон выработки мощности, прогнозируемый на основе квадрата скорости (черная линия тренда) для нагрузки 6 Ом.

5.1. Оптимизация турбины

Затем генератор был введен в эксплуатацию на крыше машиностроительного здания, как показано на рисунке 10. Деревянные лопасти длиной 2,25 метра были изготовлены с профилем NACA 4412, обычно используемым для низкооборотных турбин.Во время испытаний лопатки турбины были установлены на заданный угол наклона, а генератор был подключен к нагрузке с фиксированным сопротивлением. Затем данные о скорости ветра и выработке электроэнергии постоянно регистрировались. После нескольких недель испытаний турбину можно было отрегулировать на новый угол атаки и / или изменить сопротивление нагрузки.

Из-за непостоянства ветра не все конфигурации были испытаны на одинаковых скоростях в течение одинаковых периодов времени. Однако общие тенденции были очевидны.Во время полевых испытаний максимальная зафиксированная мгновенная скорость ветра составляла 8 м / с, а максимальная постоянная скорость ветра составляла от 4 до 5 м / с.

Рис. 10.

Ветряная турбина с оптимизированным генератором во время оценки турбины. Обратите внимание на анемометр на заднем плане слева.

Данные, полученные во время тестирования при угле атаки 9 градусов, показанные на рисунке 11, были типичными для тестирования. Скорость вращения турбины составляет около 2 м / с, а выходная мощность быстро увеличивается с увеличением скорости ветра для всех сопротивлений нагрузки.Данные для нагрузок 3 и 6 Ом показывают, что нагрузка 3 Ом имеет немного более высокую выходную мощность ниже 3 м / с, а нагрузка 6 Ом дает большую мощность выше 3 м / с. Теоретически нагрузка 6 Ом должна обеспечивать наибольшее извлечение мощности, поскольку нагрузка хорошо согласована с генератором. В целом, нагрузка 6 Ом давала наилучшее извлечение мощности и была выбрана для дальнейшего анализа.

Рисунок 11.

Зависимость электрической мощности от скорости ветра при различных нагрузках для угла атаки 9 градусов

Рисунок 12.

Зависимость электрической мощности от скорости ветра при различных углах атаки для нагрузки 6 Ом

Производство энергии не сильно зависело от угла атаки в диапазоне от 7 до 11 градусов, но значительно упало при 14 градусах. Основываясь на экстраполяции данных на более высокие скорости, ожидается, что угол атаки 9 градусов даст наибольшую выработку энергии в диапазоне скоростей ветра от 3,5 до 5 м / с.

Взяв кривую наилучшего соответствия для угла атаки лопастей 9 градусов с нагрузкой 6 Ом (рисунок 13), мы можем рассчитать, что турбина должна выдавать около 200 Вт при 4.Скорость ветра 2 м / с. Принимая это с известной длиной лопаток турбины 2,25 метра и предполагаемым КПД генератора 80% [7], мы можем использовать уравнение 1 для расчета коэффициента производительности, равного 0,36, что несколько лучше, чем предполагаемое значение 0,29.

Дополнительные измерения, проведенные на подшипниках турбины, показали, что потери на трение составляют 23 Вт при 300 об / мин. Это примерно 10% производимой электроэнергии. Использование автомобильных подшипников, возможно, не оптимально с точки зрения трения, поэтому с улучшением подшипников можно будет улучшить выходную мощность турбины примерно на 5% или около того.

Рис. 13.

Зависимость электрической мощности от скорости ветра при угле атаки 9 градусов и нагрузке 6 Ом

Оглядываясь назад на рисунок 9, мы видим, что выходная мощность 200 Вт должна происходить примерно при 300 об / мин при нагрузке 6 Ом. Используя это для расчета TSR при скорости ветра 4,2 м / с, мы получаем TRS, равное 17, что близко к нашему предполагаемому значению 16 и значительно выше обычного значения 8.

6. Сравнение характеристик

Принимая во внимание Измеряя производительность турбины, мы можем прогнозировать выработку энергии в зависимости от скорости ветра.Основываясь на заявленных производителями характеристиках изогнутой формы, нашу турбину можно сравнить с существующими коммерческими турбинами. Данные о ветре были записаны на предлагаемой испытательной площадке турбины на прибрежном гребне на высоте 400 м в Банджаран-Релау в Кедахе, Малайзия. Это дало немного более высокую скорость ветра, чем на испытательном полигоне турбины на крыше здания машиностроения. Пример данных о ветре показан на рисунке 14.

Данные о скорости ветра демонстрируют суточный график с некоторой накачкой морского слоя, связанной с близостью к побережью с самыми высокими скоростями ветра во второй половине дня.Кроме того, видно, что может быть несколько дней, например. дни с 13 по 18 на рис. 14, при очень слабом ветре, что подчеркивает необходимость значительной емкости для хранения.

Рисунок 14.

Скорость ветра на испытательном полигоне турбины Banjaran Relau в Кедахе, Малайзия

Рисунок 15.

Вероятность ветра и прогнозируемое производство электроэнергии в зависимости от скорости ветра для нескольких промышленных турбин, а также турбина, разработанная в этом исследовании.

На рис. 15 показана зависимость мощности, вырабатываемой тремя небольшими коммерческими турбинами и турбиной, разработанной в данном исследовании, от скорости ветра, а также вероятность ветра на полигоне для испытаний турбины.Поскольку оптимизированная турбина будет вращаться с более высокой скоростью вращения, чем другие турбины, контроллер начнет электрическое прерывание при скорости ветра выше 7 м / с, эффективно снижая выходную мощность турбины выше этой скорости. Это не является чрезмерно ограничивающим, поскольку ветер редко дует со скоростью выше 7 м / с дольше нескольких минут в месяц.

Можно видеть, что оптимизированная турбина вырабатывает значительно большую мощность, чем промышленные турбины при более низких скоростях ветра, и, конечно же, значительно меньшую мощность на более высоких скоростях, на которые рассчитаны другие турбины.Это ожидается, поскольку оптимизированная турбина имеет большую площадь охвата и была настроена для работы с низкой скоростью ветра.

Умножая мощность генератора на вероятность скорости ветра при каждой скорости ветра, мы можем получить нормализованные кривые выработки электроэнергии, показанные на рисунке 16. Вероятность пиковой мощности для этого набора данных составляет 3 м / с, с более низким пиком на кривой вероятности мощности. на скорости 4,5 м / с. Поскольку скорость ветра на испытательном полигоне никогда не превышала 7 м / с в течение значительного периода времени, оптимизированная турбина показала, что она вырабатывает в 3-4 раза больше энергии, чем коммерческие турбины во всем доступном диапазоне скоростей ветра.Из-за ограниченного объема данных в данных за период выборки наблюдается провал в данных о вероятности ветра на уровне около 4 м / с. В целом, мы ожидаем довольно плавного профиля вероятности ветра с пиком между 3,5 и 4,5 м / с на этом участке ветра.

Рис. 16.

Сравнение нормализованной ветровой энергии для различных ветряных турбин

Ожидается, что выработка энергии при ветре 5 м / с составит около 350 Вт, а в регионе, где этот ветер доставляет 4,8 часа в день, должен результат 1.68 кВтч выработки энергии в сутки. Предполагая, что потери при хранении в размере 30%, связанные с зарядкой / разрядкой аккумуляторов и передачей электроэнергии, приведут к получению около 1,2 кВтч полезной энергии в день, что близко к нашей первоначальной оценке 1,3 кВтч в день, необходимой для сельского жилища. Таким образом, ожидается, что специально спроектированная ветряная турбина радиусом 2,25 м относительно простой конструкции будет достаточной для питания одного сельского жилища в более ветреных частях ЮВА.

7. Заключение

Большинство коммерческих турбин спроектированы для относительно высоких скоростей ветра, около 10 м / с, вырабатывают незначительное количество энергии ниже 5 м / с.Взяв за отправную точку обычную 3-лопастную ветряную турбину с осевым потоком и прямым приводом, мы смогли оптимизировать турбину и генератор для работы с более низкой скоростью ветра и добиться значительно более высокой выходной мощности, чем существующие коммерческие турбины при более низких скоростях ветра. Возможна дальнейшая оптимизация турбины, которая должна быть сосредоточена на форме аэродинамического профиля, весе лопаток, конструкции и трении подшипников. Хотя использование лопастей большего размера увеличит стоимость и вес турбины и башни, все еще считается, что энергия ветра может быть жизнеспособной альтернативой даже в регионах с относительно слабым ветром.

Внутри ветряной турбины

Вы находитесь здесь

Главная »Внутренняя часть ветряной турбины 2 / 17Башня:

Изготовлена из стальных труб (показано здесь), бетона или стальной решетки.Поддерживает структуру турбины. Поскольку скорость ветра увеличивается с высотой, более высокие башни позволяют турбинам улавливать больше энергии и вырабатывать больше электроэнергии.

3 / 17Генератор:

Вырабатывает 60-тактный переменный ток; Обычно это стандартный индукционный генератор.

5 / 17Гондола:

Установлена на башне и содержит коробку передач, низко- и высокоскоростные валы, генератор, контроллер и тормоз. Некоторые гондолы достаточно велики, чтобы на них мог приземлиться вертолет.

6/17 Ветровая лопасть:

Измеряет направление ветра и взаимодействует с приводом рыскания, чтобы правильно ориентировать турбину по отношению к ветру.

7 / 17Анемометр:

Измеряет скорость ветра и передает данные о скорости ветра на контроллер.

8/17 Контроллер:

Запускает машину при скорости ветра от 8 до 16 миль в час (миль в час) и выключает машину на скорости примерно 55 миль в час. Турбины не работают при скорости ветра выше 55 миль в час, потому что они могут быть повреждены сильным ветром.

9/17 Коробка передач:

Подключает низкоскоростной вал к высокоскоростному валу и увеличивает скорость вращения с 30-60 оборотов в минуту (об / мин) до примерно 1000-1800 об / мин; это частота вращения, необходимая большинству генераторов для производства электроэнергии.Коробка передач — дорогостоящая (и тяжелая) часть ветряной турбины, и инженеры изучают генераторы с «прямым приводом», которые работают на более низких скоростях вращения и не нуждаются в коробках передач.

10/17 Низкоскоростной вал:

Вращает тихоходный вал примерно со скоростью 30-60 об / мин.

11/17 Ротор:

Лопасти и ступица вместе образуют ротор.

12 / 17Лопасти:

Поднимаются и вращаются, когда на них дует ветер, вызывая вращение ротора. Большинство турбин имеют две или три лопасти.

13/17 Шаг:

Поворачивает (или наклоняет) лопасти против ветра, чтобы контролировать скорость ротора и предотвращать вращение ротора при ветре, слишком сильном или слишком слабом для выработки электроэнергии.

14/17 Тормоз:

Останавливает ротор механически, электрически или гидравлически в аварийных ситуациях.

15/17 Привод рыскания:

Ориентирует турбины против ветра, чтобы они были обращены к ветру при изменении направления. Турбинам с подветренной стороны не требуется рыскание, потому что ветер вручную сносит ротор от него.

17/17 Направление ветра:

Определяет конструкцию турбины. Ветровые турбины — подобные показанной здесь — направлены против ветра, а противветренные турбины — в противоположную сторону.

Ветряные турбины используют энергию ветра для выработки электроэнергии.Проще говоря, ветряные турбины работают противоположно вентиляторам. Вместо того, чтобы использовать электричество для производства ветра, как вентилятор, ветряные турбины используют ветер для производства электроэнергии. Ветер вращает лопасти, которые, в свою очередь, вращают генератор, вырабатывающий электричество. На этой иллюстрации представлен подробный вид внутренней части ветряной турбины, ее компонентов и их функций.

Анемометр:

Измеряет скорость ветра и передает данные о скорости ветра в контроллер.
Лопасти:: Поднимаются и вращаются, когда на них дует ветер, вызывая вращение ротора. Большинство турбин имеют две или три лопасти.
Тормоз:: Останавливает ротор механически, электрически или гидравлически в аварийных ситуациях.
Контроллер:: Запускает машину при скорости ветра от 8 до 16 миль в час (миль в час) и выключает машину на скорости примерно 55 миль в час. Турбины не работают при скорости ветра выше 55 миль в час, потому что они могут быть повреждены сильным ветром.
Коробка передач:: Соединяет низкоскоростной вал с высокоскоростным валом и увеличивает скорость вращения с 30-60 оборотов в минуту (об / мин) до 1000-1800 об / мин; это частота вращения, необходимая большинству генераторов для производства электроэнергии. Коробка передач — дорогостоящая (и тяжелая) часть ветряной турбины, и инженеры изучают генераторы с «прямым приводом», которые работают на более низких скоростях вращения и не нуждаются в коробках передач.
Генератор:: Вырабатывает электричество переменного тока за 60 циклов; Обычно это стандартный индукционный генератор.
Высокоскоростной вал:: Приводит в действие генератор.
Низкоскоростной вал:: Вращает тихоходный вал примерно со скоростью 30-60 об / мин.
Гондола:: Находится наверху башни и содержит коробку передач, низко- и высокоскоростной валы, генератор, контроллер и тормоз. Некоторые гондолы достаточно велики, чтобы на них мог приземлиться вертолет.
Шаг:: Поворачивает (или наклоняет) лопасти от ветра, чтобы контролировать скорость ротора и предотвращать вращение ротора при ветре, слишком сильном или слишком низком для выработки электроэнергии.
Ротор:: Лопасти и ступица вместе образуют ротор.
Башня:: Изготовлена из стальных труб (показано здесь), бетона или стальной решетки. Поддерживает структуру турбины. Поскольку скорость ветра увеличивается с высотой, более высокие башни позволяют турбинам улавливать больше энергии и вырабатывать больше электроэнергии.
Направление ветра:: Определяет конструкцию турбины. Ветровые турбины — подобные показанной здесь — направлены против ветра, а противветренные турбины — в противоположную сторону.
Флюгер:: Измеряет направление ветра и взаимодействует с приводом рыскания, чтобы правильно ориентировать турбину по отношению к ветру.
Привод рыскания:: Ориентирует турбины против ветра, чтобы они были обращены к ветру при изменении направления. Турбинам с подветренной стороны не требуется рыскание, потому что ветер вручную сносит ротор от него.
Двигатель рыскания:: Включает привод рыскания.

Воздушные ветряные турбины для выработки энергии при сильном ветре (с видео)

Изображение предоставлено: Joby Energy

(PhysOrg.com) — Вскоре воздушные ветряные турбины могут вырабатывать энергию из высокогорных ветров, чтобы обеспечивать стабильную, чистую, дешевую и обильную энергию для жаждущего энергии мира.

Г-н Бевирт из компании Joby Energy, производящей воздушные ветровые турбины, сказал, что энергия ветра является отличным источником энергии, тропосферными ветрами переносятся примерно 870 тераватт.Этот потенциал значительно превышает 17 тераватт текущего мирового спроса.

Идея использования ветра на больших высотах для выработки электроэнергии была впервые предложена около четырех десятилетий назад, но в то время не была технически осуществима. Теперь, с новыми материалами и более совершенными компьютерами, электроникой и датчиками, а также с развитием беспилотных летательных аппаратов, эта концепция может оказаться жизнеспособной, и несколько компаний изучают лучшие способы использования ресурса для получения дешевой возобновляемой энергии.Joby Energy — один из них, и его конструкция похожа на многокрылый воздушный змей, поддерживающий множество турбин.

Изображение нашей системы верхнего пограничного слоя мощностью 2 МВт. Видео: Joby Energy

Тяга, необходимая для вертикального взлета кайта, обеспечивается двигателями-генераторами, подключенными к турбинам, а ориентация кайта по ветру контролируется компьютерной системой, которая дифференцированно регулирует скорость ротора, чтобы он продолжал лететь. по круговой траектории. Ветер, проходящий через турбины, вращает генераторы с высокой скоростью, поэтому редукторы не нужны.Электроэнергия, генерируемая турбинами, передается на землю через усиленный композитный трос, который прикрепляет кайт к земле.

Изначально воздушные турбины будут летать на высоте, в пять раз превышающей высоту обычных ветряных турбин, и это расширит доступ к более высоким скоростям ветра и лучшую стабильность ветра, обеспечивая более надежные источники питания. Если бы турбины летели выше, генерируемая мощность могла бы быть даже больше, потому что скорость ветра имеет тенденцию увеличиваться на больших высотах.

Федеральное управление гражданской авиации США изначально ограничило высоту до 600 метров или меньше, хотя бортовые турбины теоретически могут летать на высоте более 10 000 метров, и они предназначены для работы в верхней тропосфере и верхнем пограничном слое.

После тестирования более 20 проектов компания выбрала для оценки и испытаний систему мощностью 30 кВт. Если испытания пройдут успешно, компания планирует испытать опытный образец мощностью 100 кВт, а затем начальный набор турбинных установок, вырабатывающих 300 кВт, что достаточно для обеспечения электроэнергией около 150 домов.Сгенерированная электроэнергия постоянного тока, передаваемая на землю через трос, затем будет преобразована в мощность переменного тока для подачи в энергосистему.

Бевирт сказал, что система спроектирована так, чтобы противостоять сильным ветрам, и при ураганном ветре или в периоды вообще без ветра массив будет запрограммирован так, чтобы приземлиться и снова подняться в воздух, когда условия ветра будут более подходящими.Кайт также спроектирован таким образом, чтобы его можно было безопасно приземлить, даже если привязь сломан, и для его двигателей используются батареи. Конструкция включает в себя высокую степень избыточности массива, что означает, что он может оставаться в воздухе даже при нескольких точках отказа.

Конечная цель Joby Energy — разработать ветряные электростанции с несколькими массивами для выработки постоянной мощности, но сначала потребуется продемонстрировать безопасность системы и надежность систем управления.Бевирт сказал, что конечной целью является развертывание ветряных турбин по всему миру для производства обильных глобальных поставок дешевой и чистой электроэнергии.

Грант направлен на снижение затрат и расширение использования ветряных турбин для выработки электроэнергии.

Дополнительная информация: Joby Energy: www.jobyenergy.com/tech

Ссылка : Воздушные ветряные турбины для выработки электроэнергии при сильном ветре (с видео) (4 июня 2010 г.) получено 14 января 2021 г. с https: // физ.org / news / 2010-06-airborne-turbines-power-high-video.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Проверка высокогорной ветровой энергии

Этот пост рассматривает странный и чудесный мир высокогорной ветровой энергии.В нем рассматриваются причины желания взлететь, объясняется привязанный полет и исследуются основные конкурирующие технологии 1) поколения в воздухе (Google Makani) и 2) поколения наземного базирования (KiteGen), а также сравниваются их сильные и слабые стороны.

Краткое содержание

Высотные (от 500 до 2000 м) ветроэнергетические установки все еще находятся на относительно ранней стадии разработки, первые испытания были проведены около 12 лет назад.
На большей части суши на Земле средняя скорость ветра у поверхности ниже 5 м / с, что намного ниже скорости, необходимой для работы обычных наземных ветряных турбин.Следовательно, традиционные ветряные турбины могут быть развернуты только в отдельных районах, где регулярно дуют приземные ветры.
На высоте 250 м над землей ветры дуют сильнее и устойчивее, обеспечивая приемлемую скорость ветра на большей части суши Земли. Как правило, с увеличением высоты увеличивается скорость ветра. Проблема в том, как получить доступ к этому ветру для выработки электроэнергии.
Разработкой прототипов занимаются многие компании. Большинство из них основаны на принципе полета на привязи, когда аэродинамический змей летит на высоте, привязанный к земле веревками.Ветер поддерживает кайт в воздухе, где скорость полета зависит от аэродинамической эффективности и скорости ветра. В свою очередь, мощность связана со скоростью полета.
Эти воздушные змеи летают поперек ветра, то есть в направлении, поперечном направлению ветра.
Есть два основных семейства привязных воздушных змеев. Один, где простой воздушный змей запускает в небе фигуру восьмерки, вытягивая веревку из наземного барабана, который вращает генератор. Второй основан на похожих на воздушных змеях планерах, которые несут на борту генераторы, в которых во время полета вращаются винты, генерирующие электричество, которое передается на землю через проводящий трос.
Существует три очевидных риска, связанных с этой технологией: 1) риск аварии, 2) риск для авиации и 3) риск для птиц. Большая часть текущих исследований и разработок направлена на создание систем управления полетом, призванных снизить риск аварии. Если будет доказано, что технология работает, то она обещает поставлять дешевую возобновляемую энергию без субсидий, и в этом случае правительства могут освободить выбранное воздушное пространство для развертывания технологий.

Эти риски уравновешиваются рядом очевидных преимуществ доступа к высокогорному ветру:

Энергия ветра доступна на высоте, где скорость ветра у поверхности недостаточна для привода традиционной турбины.
На высоте ветер дует более устойчиво, уменьшая перемежаемость.
Мощность увеличивается на куб скорости ветра. Таким образом, если подняться немного выше, можно получить намного больше энергии.
Высотные устройства значительно менее массивны (20 тонн на 3 МВт), чем традиционные турбины эквивалентной мощности (417 тонн стали и 902 тонны бетона). Следовательно, производство высотных устройств будет значительно дешевле, и они могут производить электроэнергию без субсидий.
Малая масса означает меньшее потребление энергии для создания систем захвата ветра на большой высоте.2 доступны (длина троса 1500 м, угол наклона 50 градусов).

Введение

Несколько недель назад я получил письмо от Массимо Ипполито, основателя KiteGen, с вопросом о рекламе в Energy Matters. KiteGen — мировой лидер в разработке технологий для работы с высотным ветром. Хотя я был в восторге от перспективы продажи некоторого рекламного места, запрос был связан с некоторыми условиями. Массимо хотел, чтобы я написал статью о высотной ветровой энергии.Я объяснил, что ничего не знаю об этом, потому что не следил за технологией, полагая, что это немного «помешательство». Массимо признался, что все с самого начала так думали.

Итак, я провел небольшое исследование и нашел некоторую информацию, которая привлекла мое внимание. Начнем с того, что на этой арене действует много компаний, и одна из них, Makani, недавно была куплена Google за 10 миллионов долларов. Во-вторых, KiteGen утверждал, что высотные воздушные змеи имеют высокую отдачу от вложенной энергии (ERoEI)> 300.Это была настоящая загвоздка, потому что, если бы это было так, это сделало бы высотную ветровую энергию грязной, и это могло бы существенно облегчить или полностью устранить проблемы с прерывистостью (см. Приложение 1 по ERoEI). И, наконец, я наткнулся на очень недобрую статью под названием Воздушная энергия ветра: все утконосы вместо гепардов , которая была опубликована в Clean Technica. Мне показалось довольно странным, что блог Green Tech публикует статью, в которой основное внимание уделяется потенциальным слабым сторонам высокогорного ветра, полностью игнорируя сильные стороны.Может ли быть правда в том, что Green Tech не хочет дешевых возобновляемых источников энергии?

В этом посте представлен обзор высокогорного ветра, охватывающий основные принципы, основные типы конкурирующих технологий, ERoEI и некоторые основы физики.

Зачем идти высоко?

Основная причина поиска ветра на большой высоте заключается в том, что ветер имеет тенденцию дуть быстрее и постоянно, чем выше вы поднимаетесь (Рисунок 1) (см. Также Рисунки 6 и 7). Добавьте к этому, что номинальная мощность увеличивается с кубом скорости ветра, и вы поймете, как притягательно дотянуться до неба.3

r = плотность воздуха
A = площадь
V = скорость ветра

Причина более низкой скорости ветра у поверхности — это сдвиг ветра между циркулирующей атмосферой и поверхностью Земли. Топография и особенности поверхности нарушают циркуляцию. Полезно представить себе течение реки, которое обычно будет намного медленнее на краю, чем в середине, где основной объем воды может течь без препятствий из-за валунов, ветвей и т. Д.

Рис. 1 Средняя скорость ветра в Голландии с высотой.На высоте 2000 м ветер дует в среднем в три раза быстрее, чем на уровне земли, и, учитывая, что мощность увеличивается пропорционально кубу скорости ветра, на высоте 2000 м доступна 27-кратная мощность. Высотные ветровые устройства пытаются получить доступ к этой дополнительной высотной мощности. Хотя часто говорят о доступе к ветру в Jet Stream высотой 10 000 м, в настоящее время основное внимание уделяется проникновению в слой между 500 и 2000 м. Данные для диаграммы предоставлены Массимо Ипполито.

Это причина того, что наземные турбины становятся все выше и выше по мере того, как они поднимаются вверх, чтобы получить доступ к этому лучшему ветровому ресурсу (Рисунок 2).Но это также была ахиллесова пята ветряных турбин, поскольку по мере их роста они становились все более массивными, и для их строительства требуется все большее количество стали и бетона (встроенная энергия). Турбина мощностью 3 МВт (Vestas 3112) содержит 417 тонн металла в башне и гондоле и 902 тонны бетона в фундаменте.

Это вторая причина стремиться к небу, поскольку конструкции высотных устройств намного легче турбин, которые обещают обеспечить гораздо более высокую отдачу энергии (ERoEI) и более низкую стоимость электроэнергии.Следовательно, появляется возможность получить большую мощность, используя более легкие и дешевые устройства.

Рис. 2 Эволюция размеров ветряных турбин. В 1995 году высота ступицы машины мощностью 750 кВт составляла 50 метров. В 2015 году высота ступицы машины мощностью 6 МВт выросла до 120 м. Изображение из Макани.

Рисунок 3 Изменение высоты ступицы во времени.

Рис. 4 Изменение фронта ветра (площадь, охватываемая ротором) и номинальная мощность во времени.

Наземные турбины имеют рабочий диапазон скорости ветра приблизительно от 3,5 до 25 м / с (эти числа будут варьироваться в зависимости от размера и конструкции турбины). 3,5 м / с — это скорость включения, при которой ротор вращается с достаточной силой для приведения в действие исполнительного механизма (генератора), и 14 м / с — скорость, при которой турбина достигает своей максимальной номинальной мощности (Рисунок 5). Турбины могут продолжать работать со скоростью более 14 м / с, но не будут производить больше энергии. А когда становится слишком ветрено, скажем, 25 м / с, турбину необходимо выключить.Эти особенности определяют хорошо знакомую проблему перемежаемости ветра. Нет ветра — нет энергии, слишком много ветра — нет энергии.

Рисунок 5 Зависимость скорости ветра от мощности для «типовой» турбины.

14 м / с = 50,4 км / ч = 31,3 миль / ч

Макани создал пару хороших карт скорости ветра Земли (Рисунки 6 и 7). Я живу в ветреной Шотландии и воспринимаю ветер как должное, поэтому был удивлен, увидев, что ветреные места — скорее исключение, чем правило.Принимая во внимание рабочий диапазон от 3,5 до 14 м / с для наземных турбин, рисунок 6 показывает, что наземные турбины просто не жизнеспособны в большинстве областей. Однако, поднявшись на высоту 250 м, можно будет найти полезный ветровой ресурс на большей части обитаемой суши планеты.

Рис. 6 Области Земли, где достаточный ветровой ресурс для работы ветряных турбин находится на поверхности (высота ступицы 100 м). Карта от Makani Power.

Рисунок 7 Участки земли, на которых полезный ветровой ресурс находится на высоте 250 м.Карта от Makani Power.

Однако эти карты средней скорости ветра не говорят нам о том, насколько устойчивый ветер дует. В своей докторской диссертации Лоренцо Фаджиано [1] дает оценку факторов пропускной способности на высоте 500 м в Италии и Голландии, которые в среднем составляют 0,54 (Приложение 1). Таким образом, высота снижается, но не решает проблему прерывистости. Решение проблемы перемежаемости полностью зависит от аргумента, приведенного в пользу высокого ERoEI (Приложение 1), когда часть продукции может отправляться на хранение химических веществ, например водорода или синтетического топлива, которые могут использоваться для выработки электроэнергии при ослаблении высокогорных ветров.Эффективность хранения в оба конца составляет порядка 30%, следовательно, значительная часть продукции может быть потеряна, но это цена отправки. Ожидаемая более низкая стоимость высокогорного ветра делает это приемлемым.

Конкурирующие концепции

Использование энергии ветра на больших высотах — это область инноваций, которая все еще находится на очень ранней стадии развития. Например, крупный игрок Группа исследований Kite Power из Делфтского технологического университета первоначально провела испытания первого экспериментального прототипа тягового усилия 3 киловатта (кВт) в 2007 году.В то время как KiteGen испытала свой первый прототип мощностью 30 кВт годом ранее, в 2006 году. Это было всего 10 лет назад.

Рисунок 8 Некоторые из основных игроков и спонсоров высотных ветроэнергетических технологий. Изображение предоставлено KiteGen.

Эти новаторы подали десятки патентов, и это стимулировало инновации в ряде странных направлений, поскольку новые участники стремятся закрепить за собой точку опоры в том, что может развиться в многомиллиардную отрасль. Это напоминает мне первые дни авиации (см. Видео 6 в конце поста).

Все основные концепции производства электроэнергии включают привязку высотного бортового устройства к земле. Основной принцип физики — использовать кинетическую энергию ветра и преобразовать часть этой кинетической энергии в электричество. С десятками игроков я обобщу три основных концепции:

Легче воздуха Устройства, поднимающие турбину на высоту с помощью наполненного гелием воздушного шара (Air Gen) (The Altaeros Blimp)
Воздушные змеи, которые летают по воздуху с присоединенными роторами и генераторами, производят больше электроэнергии, чем быстрее они летают (Air Gen) (The Makani Kite)
Воздушные змеи, которые летают по воздуху с веревками, которые разматываются из барабана на земле, который вращается и приводит в действие исполнительный механизм (Ground Gen) (The KiteGen Stem)

Дирижабли не являются серьезными соперниками для генерации в масштабе сети, но больше предназначены для нишевых приложений.Кайты (2 и 3) — серьезные соперники с разными сильными и слабыми сторонами.

Дирижабль Альтаэрос

Я начну с одного из самых неожиданных участников, который приехал из американской компании Altaeros. Их концепция заключается в том, чтобы просто поднять турбину на основе ротора в небо с помощью воздушного шара, наполненного гелием. Воздушный шар привязан к наземной станции двумя тросами, один из которых, очевидно, должен быть проводящим для передачи энергии.

Рисунок 9 Генератор Altareos легче воздуха.

Рисунок 10 Альтареи, тянущиеся к небу.

Видео 1 2 минуты 19 секунд

Я не нашел ни подробных презентаций от Altaeros, ни номинальной мощности их турбины, но она не выглядит очень большой. Несколько сбивчиво они называют свой воздушный шар летучей мышью, что, как я полагаю, означает воздушный шар с воздушной турбиной?

Эта концепция на самом деле не улавливает силу ветра, как кайт (см. Видеоролики Makani и KiteGen ниже), и можно представить, что при сильном ветре устройство будет унесено к земле, теряя любое преимущество на высоте. может предложить.

Читая веб-сайт Altaeros, я чувствую, что это не серьезный участник для полномасштабного производства электроэнергии, но вместо этого он может иметь нишевые приложения:

Электроснабжение удаленных населенных пунктов
Надземная площадка для телекоммуникационных систем
Надземная платформа для оборонных систем наблюдения

Altaeros BAT имеет то преимущество, что проста и мобильна, и может оказаться первым коммерческим генератором высокогорного ветра, но я не думаю, что в ближайшее время он заменит базовую нагрузку ядерной энергетики.

Воздушный змей Makani «Quadracopter»

Макани — это гавайский ветер, и он был основан в 2006 году Солом Гриффитом, Доном Монтегю и Корвином Хардхэмом. Макани интересен, отчасти из-за их технологической концепции, но также и потому, что Google, долгое время поддерживающий эту компанию, приобрел ее в 2013 году за нераскрытую сумму, которая, по слухам, составляет 10 миллионов долларов. Если вы — технологическая компания, стремящаяся сократить выбросы CO2 за счет инноваций в области возобновляемых источников энергии, то энергия ветра на больших высотах занимает первое место в списке покупок большинства инвесторов.

Makani выиграла конкурс на самое передовое устройство, представляющее собой гибридный воздушный змей / планер (рис. 11). У Makani есть простой, но информативный веб-сайт и несколько информативных видеороликов, ссылки на два из которых приведены ниже. Не заблуждайтесь, это серьезное высокотехнологичное предприятие, целью которого является получение энергии в промышленных масштабах от высокогорных ветров. Можно ли заставить его работать — это, конечно, другой вопрос. Вам просто нужно наблюдать, как воздушный змей Makani кружит гигантскими кругами, чтобы понять, что может пойти не так (видео 3).

Рисунок 11 Воздушный змей Makani. При взлете и посадке генераторы превращаются в пропеллеры, позволяющие воздушному змею парить как вертолет.

Видео 2: 5 минут 23 секунды

Видео 3: 6 минут 17 секунд

Концепция Makani — это планер, привязанный к земле, и поэтому, когда ветер дует через аэродинамическое покрытие, возникает подъемная сила, которая может удерживать планер в воздухе неопределенно долго, пока дует достаточно сильный ветер.На этом этапе мне нужно представить концепцию летящего встречного ветра. Чтобы понять это, вам действительно нужно посмотреть видео, указанное выше, где вы увидите, как Макани летит на высокой скорости по гигантским кругам в небе, поперек направления ветра. Электричество вырабатывается роторами, связанными с приводами, и передается на землю через проводящий трос. Концептуально легко понять, как более быстрый полет дает больше энергии. На этом этапе имеет смысл ввести второе уравнение, связывающее скорость полета со скоростью ветра и аэродинамикой:

скорость полета = скорость ветра * аэродинамическая эффективность

Аэродинамический КПД — это отношение подъемной силы к сопротивлению аэродинамического профиля + троса.Сопротивление кайта Makani также увеличивается за счет роторов, которые замедляют скорость полета и уменьшают мощность, но именно торможение полета в то же время производит мощность.

Рисунок 12 Концепция Makani имитирует концепцию ветряной турбины, но может достигать гораздо большей высоты и генерировать больше электроэнергии, используя более легкое устройство.

Система Макани сравнима с движением, описываемым кончиками лопаток турбины, но имеет то преимущество, что она намного легче.И, не ограничиваясь высотой башни, он может летать выше, чтобы справиться с более быстрыми ветрами.

Некоторые важные статистические данные, полученные из видеороликов, включают: Makani мощностью 1 МВт будет весить примерно 1/10 эквивалентной турбины (10 тонн против 100 тонн) и будет стоить примерно в два раза меньше. Скорость полета 100 миль / ч (67 м / с).

Сол Гриффит, один из основателей, дает смелое видение в Видео 2.

Рисунок 13 Модель Makani мощностью 230 кВт будет размером с Cessna.

Рис. 14 Makani мощностью 1,3 МВт будет размером с Gulfstream.

Рис. 15 Makani мощностью 6 МВт будет стороной Jumbo Jet.

Рис. 16 Планы для Makani мощностью 600 кВт, оснащенного 8 турбинами.

Концептуально у меня проблемы с представлением воздушного змея размером с гигантский реактивный самолет, летящего по небу, но я легко могу представить себе беспорядок и потерю капитала, которые могут возникнуть в случае его крушения.Но одним из больших плюсов Makani является то, что роторы можно быстро превратить в пропеллеры, обеспечивая возможность обычного полета с приводом и возможность зависания, давая контроль над взлетом и посадкой.

Стержень KiteGen

KiteGen был основан в 2007 году Массимо Ипполито. Предприятие началось как хобби, запускающее воздушных змеев, чтобы посмотреть, можно ли вырабатывать электричество. В 2006 году был испытан первый прототип. Это был грузовик с номинальной мощностью 30 кВт с тканевым спортивным змеем на небольшой высоте.Первая патентная заявка была подана в 2003 году совместно с другими организациями, включая Делфтский университет, а первый патент был выдан в 2009 году.

Суть патента, лежащего в основе технологии KiteGen сегодня, заключалась в воздушном змее или крыле, прикрепленном двумя тросами к системе управления на земле, где изменение сил на двух тросах управляло воздушным змеем и приводило в действие электрический генератор, расположенный на земле. .

Рисунок 17 Один из нескольких патентов, связанных с высотной ветроэнергетикой, принадлежащей KiteGen.

На рис. 18 представлен упрощенный вид базовой технологии, состоящей из воздушного змея, двух веревок, которые обвивают два барабана, расположенных на земле. Когда кайт поднимается и уносится ветром, барабаны вращаются по отдельности, генерируя электричество. На Рисунке 18 показано, что кайт оснащен датчиками движения, которые взаимодействуют с блоком управления воздушным змеем (KSU) на земле.

Рис. 18 Упрощенный вид KiteGen, показывающий кайт, прикрепленный двумя тросами, которые индивидуально обернуты вокруг барабанов, прикрепленных к земле.Когда кайт улетает от наземной станции, тросы разматываются, вращая барабаны, которые вращают генератор. График из ссылки 1 рис. 2.3.

Читатели

Alert поймут эту простую концепцию, но зададутся вопросом, как восстанавливается кайт, когда он достигает конца своей веревки. Ответ на это дан на рисунке 19.

Рисунок 19 KiteGen летит по небу и удаляется от наземной станции, обводя фигуры из 8 узоров. Вырабатываемая мощность зависит от силы, действующей на канаты, и скорости, с которой канаты разматывают барабаны.KiteGen разработан для поддержания равномерного усилия на веревках, поэтому мощность зависит от скорости ветра и скорости разматывания (Приложение 3). График из ссылки 1 рис. 4.12.

Рис. 20 Схематическое изображение выноса KiteGen, показывающее основные компоненты.

Рисунок 21 Турин, 26 апреля 2016 г. Веревочные барабаны и привод на настоящем KiteGen. Исполнительный механизм (генератор) — это черный барабан справа от желтой метки.Этот прототип используется для усовершенствования макета и тестирования компонентов.

В соответствии с большинством групп, тестирующих силовые системы кайтов, KiteGen летает по схеме поперечного ветра, равной 8. Форма крыла кайта создает «подъемную силу», поскольку он летит с огромными силами, передаваемыми на два троса (до 20 тонн на каждый трос). веревка). Кайт улетает от наземной станции, отслеживая цифры 8 в так называемой фазе мощности или тяги (Рисунок 19). На конце тросов кайт маневрирует в аэродинамическое нейтральное положение , где он теряет всю подъемную силу, а наземные генераторы превращаются в электродвигатели, чтобы вернуть кайт с огромной скоростью в исходное положение в так называемом восстановлении. фаза.Восстановление потребляет лишь небольшую часть энергии, используемой в фазе питания (Рисунок 22, восстановление при боковом скольжении).

Рисунок 22 Левая электрическая мощность (кВт), длина правого троса (м) после 42-минутного испытательного полета. Первая половина теста показывает, что кайт набирает высоту, но при разматывании канатов вырабатывает электроэнергию. Затем воздушный змей достигает заданной высоты 1400 м при длине веревки 2000 м (45 возвышения) и переключается в рабочий режим йо-йо, вылетая на высоту 2500 м, прежде чем втягиваться обратно.Розовым цветом обозначена потребляемая мощность, используемая для оттягивания кайта, и показана разница между режимом полного крыла и маневром бокового скольжения. Ясно, что вытягивание кайта назад без потери подъемной силы потребляет столько энергии, сколько производится. Щелкните диаграмму, чтобы увидеть большую версию.

KiteGen закручивается в нейтральное по ветру положение с помощью маневра бокового скольжения, который также запатентован KiteGen. Лучше всего это понять, посмотрев видео 4 ниже.

Видео 4 4 мин. 47 сек.Обратите внимание, что это видео переключается между анимацией и реальными кадрами полета. Демонстрация бокового скольжения занимает примерно 2 минуты 20 секунд.

Видео 5 6 минут 28 секунд. Летающие фигуры 8 и вырабатывающие электричество.

Только запатентованная двухканатная система может выполнять запатентованное боковое скольжение. Конкурирующие системы, использующие одну веревку, разработали собственные маневры, которые менее эффективны с точки зрения аэродинамики. Другими словами, для фазы восстановления требуется больше энергии.

Этот рабочий режим называется конфигурацией йо-йо и обеспечивает электрическую мощность, как показано на рисунке 20. При совместной работе нескольких KiteGens циклы й-йо можно регулировать, чтобы исключить прерывистость.

Один из аспектов этого рабочего режима, который важно понять, заключается в том, что большая часть мощности создается за счет аэродинамической подъемной силы воздушного змея. Чем быстрее кайт летит в форме восьмерки, тем больше создается подъемной силы, передавая больше энергии через тросы на шкивы, барабаны и генераторы на земле (Рисунок 19).2 силовых крыла для достижения номинальной силы требуется скорость ветра 5 м / с. Когда скорость ветра превышается, канаты начинают разматываться, и вырабатывается электричество. Скорость разматывания мотовила продолжает увеличиваться со скоростью ветра, пока не будет достигнута скорость разматывания 10 м / с (скорость ветра = 15 м / с), после чего KiteGen достигнет своей номинальной мощности 3 МВт. Система нацелена на поддержание номинальной силы и номинальной мощности за счет регулировки положения кайта в небе.

Аэродинамическая эффективность определяется как отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению, некоторые примеры приведены ниже.2 прототипа силового крыла, изготовленного на заводе KiteGen. Это полужесткая композитная конструкция, которая отличается легкостью и прочностью. Сердцевина — сотовая бумага, покрытая стекловолокном. Передняя кромка фрезеруется роботом из большого блока полистирола, а затем покрывается стекловолокном. Секции соединяются с помощью высокопроизводительных молний. В серийных моделях вместо стекловолокна (более легкого и прочного) будет использоваться кевлар, а передняя кромка крыла будет из углеродного волокна вместо полистирола.Воздушный змей оборудован датчиками движения, которые обеспечивают бортовую связь, описывающую форму воздушного змея и связь между воздушным змеем и землей. Массимо Ипполито (справа), Эухенио Сарасено (слева) оставляют меня в центре.

Последний аспект эксплуатационной аэродинамики — это влияние сопротивления канатов на крыло. Аэродинамическая эффективность — это отношение подъемной силы к сопротивлению. Веревки обеспечивают только сопротивление, которое увеличивается с высотой по мере развертывания большего количества веревок, которое компенсируется более быстрым ветром, чем выше вы поднимаетесь.Расчеты показывают, что аэродинамический КПД силового крыла падает примерно до 18, когда тросы включены.

Канаты, используемые KiteGen, изготовлены из Dyneema, чрезвычайно легкого и прочного полиэтиленового волокна. Канаты диаметром 9 мм выдерживают нагрузку до 10 тонн.

Риски: сравнение Makani и KiteGen

Квадракоптер Makani может быстро превратиться из воздушного змея в управляемый планер, который предлагает явные преимущества перед KiteGen при взлете, посадке и управлении полетом.Но с другой стороны той же медали с квадракоптером Makani, большая часть ваших денег находится в небе, и следует ожидать потери устройств. И Makani, оснащенный 8+ роторами, летящими со скоростью 67 м / с, кажется, не подходит для птиц, хотя я не уверен, какие виды птиц обитают на запланированной высоте полета.

Воздушный змей KiteGen простой, легкий и дешевый, и его можно рассматривать почти как расходный материал. Таким образом, в случае аварии не возникает значительных финансовых потерь. Но остаются технические проблемы в достижении автоматического взлета и посадки большого воздушного змея.Силовое крыло KiteGen огромно и должно быть хорошо видно птицам. Но издалека он будет казаться размером с птицу, парящую в небе. У земли веревки двигаются не очень быстро. Эухенио сказал мне, что на рабочей высоте можно встретить в основном большие стаи перелетных птиц. Их можно обнаружить с помощью радара и избежать.

Чтобы стать серьезным конкурентом на рынке коммерческой энергетики, обе технологии должны подтвердить надежность посредством расширенных полевых испытаний.Увы, это обходится недешево.

Другие игроки

У меня нет времени и нет необходимости проверять всех игроков на высокогорном поле ветра. Но три другие компании / концепции заслуживают краткого упоминания.

KitePower

KitePower, возглавляемая доктором Роландом Шмелем из Делфтского университета (Нидерланды), является одним из первых участников в этой области чуть более 10 лет назад. Их кайт летает на единственной веревке, поэтому для воздушного змея необходим блок управления, который летает под кайтом.Коробка создает сопротивление, компенсируемое одиночной веревкой, создающей меньшее сопротивление. Но блоку управления воздушным змеем нужны мышцы, чтобы бороться с большими силами через систему уздечки. И для этого также требуется проводящий шнур для передачи электричества от земли к воздушному змею.

Рис. 25 Компоненты установки KitePower имеют много общего со выносом KiteGen. Хотя обратите внимание на одиночный трос и блок управления воздушным змеем, который летит под кайтом.

Решения Kite Power Solutions

Решения

Kite Power Solutions базируются в Шотландии.Их концепция, насколько я могу судить, очень похожа на KitePower с одной веревкой и блоком управления кайтом, летящим под кайтом. Рисунок 26 дает представление о свадебной системе контроля.

Рисунок 26 Деталь свадебных веревок кайта Kite Power solutions.

Ампикс Пауэр

Ampyx Power — это гибридная концепция между KiteGen и Makani, использующая планер для полета фигур восьмерки с одной привязью, которая разматывает кабель от наземного барабана / генератора.

Рисунок 27 «Планер» Ampyx летает в количестве 8 человек, как и обычные воздушные змеи.

Заключительные мысли

Является ли безумной идеей пытаться получить доступ к энергии ветра на больших высотах с помощью привязных воздушных змеев, которые запускают генераторы встречного ветра? Может быть!

Но нужно просто прочитать шесть преимуществ, которые я перечисляю в кратком изложении, чтобы понять, что это энергетический ресурс, которым человечество будет стремиться, и что ряду технологических концепций необходимо предоставить возможность полевых испытаний в коммерческом масштабе.И испытания должны иметь возможность потерпеть неудачу в погоне за конечным успехом.

С концептуальной точки зрения, я не могу представить, чтобы эта технология могла быть применена в ветреной и шумной Шотландии. Но эта технология предназначена не для ветреных областей, а для тех обширных областей земного шара, где скорость ветра на уровне земли низкая, но на высоте нескольких сотен метров есть этот устойчивый, но невидимый поток ветра 10 м / с (Рисунок 7).

Десять лет назад я не верил, что коммерческое развертывание высотных воздушных змеев возможно.Сегодняшние технологии — это огромный прогресс, достигнутый в твердотельных датчиках движения в сочетании с GPS и вычислительной мощностью, которые теоретически позволяют автоматизировать управление геометрией воздушного змея и полетом.

Когда я посетил KiteGen в конце апреля, я был впечатлен их инженерными и физическими навыками, которые охватывают аэронавтику, машиностроение, электротехнику, автоматизацию и моделирование. Когда я спросил Массимо, что им движет, он ответил просто:

Для решения глобальной энергетической проблемы.

Я думаю, уместно закончить этим видео первого полета братьев Райт на Китти Хок в 1903 году. Человеку потребовалось много времени, чтобы достичь этой точки. 102 года спустя Airbus A380 поднялся в небо.

Видео 6 2 мин. 46 сек. Классические кадры первого полета братьев Райт в Китти Хок, 1903 год. Его стоит посмотреть

Приложения

В 4 приложениях более подробно описаны физика и инженерия системы KiteGen, которые могут быть интересны только тем, кто имеет физический и инженерный опыт.Я лично изо всех сил пытался понять и понять все концепции. Детали скопированы из документов KiteGen.

1) Оценка ERoEI для стержня KiteGen

KiteGen представили обратную сторону расчета ERoEI в стиле конверта для своего выноса мощностью 3 МВт, указав значение 562, что является невероятно высоким. Я выполнил свой собственный расчет, используя вариант их методологии и свои собственные входные переменные. Идея состоит в том, чтобы попытаться оценить энергоемкость конструкции ветряной турбины и интерполировать ее на вынос KiteGen.Это включает в себя множество слабых предположений, но должно быть полезно для получения числа «парк мячей».

Я начну с оценки энергоемкости ветряной турбины на основе массы надстройки. Согласно Vestas, их турбина V112 мощностью 3 МВт содержит 372 тонны металла в башне и гондоле (я пока не буду игнорировать 947 тонн стали и бетона в фундаменте).

Я сделаю следующие предположения:

ERoEI = 18 [1]
Коэффициент мощности = 0.3
Срок службы = 20 лет
Мощность = 3 МВт
Масса надстройки = 372 тонны

Энергия, произведенная в течение срока службы = 3 * 24 * 365,25 * 20 * 0,3 = 157 788 МВтч

Энергия, необходимая для создания и обслуживания машины = 157 788/18 = 8 766 МВтч для ERoEI 18.

Энергоемкость = 8766 МВтч / 372 тонны = 23,6 МВтч / тонна

В своей докторской диссертации Лоренцо Фаджиано приводит следующую таблицу теоретических коэффициентов мощности для KiteGen [2]:

Среднее значение 0.54, который используется в расчетах ниже. Коэффициент мощности выше, чем у турбины, потому что высокогорные ветры (от 500 до 2000 м) дуют более устойчиво, чем у поверхности. Предположения для выноса KiteGen мощностью 3 МВт:

Коэффициент мощности = 0,54
Срок службы = 20 лет
Мощность = 3 МВт
Масса надстройки = 20 тонн

Энергия, произведенная в течение срока службы = 3 * 24 * 365,25 * 20 * 0,54 = 284 018 МВтч

Энергия, необходимая для создания и обслуживания машины = 20 тонн * 23,6 МВтч / тонна = 472 МВтч

ERoEI = 284 018 МВтч / 472 МВтч = 602

Это удивительно высокое число, в которое трудно поверить, но оно основано на гораздо более легком весе и более высоком коэффициенте полезного действия для KiteGen.В своих расчетах Массимо Ипполито получил число 562, используя энергоемкость 40 МВтч / тонну. Используя эту цифру, моя оценка ERoEI упала до 355, что, возможно, более реалистично.

Именно этот аспект KiteGen и высокогорный ветер действительно привлек мое внимание. Много лет назад, когда я впервые начал изучать глобальные энергетические проблемы, я считал, что эту проблему можно легко решить, сочетая энергию ветра и частичное преобразование избыточной энергии в запас энергии, такой как водород.К сожалению, многие до сих пор верят, что это решение. Проблема с этим подходом и обычными турбинами заключается в низком ERoEI электричества ветровой турбины, что делает его дорогим в сочетании с потерями энергии в оба конца при переходе в хранилище, такое как водород, которые обычно составляют порядка 70%. При потерях 70% ERoEI ветряной турбины — водородной системы падает до 5,4 (ERoEI 18 * 0,3), и мы падаем с обрыва чистой энергии (Рисунок 28). Другими словами, при использовании ветряной турбины и водородной системы вы потребляете дорогую электроэнергию и тратите 70% ее на сокращение выбросов.Потребителям и экономике это не нравится!

Рис. 28 Расчетный ERoEI для KiteGen мощностью 3 МВт, нанесенный на обрыв чистой энергии. Электрическая мощность KiteGen не плавная. Это частично компенсируется встроенными суперконденсаторами, которые могут накапливать и разряжать мощность, чтобы сгладить питание. Для преобразования выходной мощности в управляемую мощность очень консервативным подходом было бы преобразование всей электроэнергии в энергоноситель, например водород, а затем сжигание водорода в газовой турбине для выработки электроэнергии.Это будет потреблять около 70% доступной энергии, но даже при этом остается ERoEI> 100. В действительности часть выходной мощности может быть отправлена прямо в сеть, а часть может быть сохранена для смягчения последствий перебоев. Для объяснения обрыва чистой энергии см. ERoEI для начинающих.

Вынос KiteGen — сложная машина, но она легкая, дешевая в сборке и установке. ЕСЛИ он работает в соответствии с ожиданиями, он может производить большое количество дешевой несубсидированной электроэнергии.KiteGen — водородный генератор по-прежнему будет иметь ERoEI 355 * 0,3 = 107, что по-прежнему огромно по сравнению с большинством других форм производства электроэнергии сегодня. KiteGen также может использоваться для производства синтетического топлива. Важным моментом является то, что KiteGen может быть в состоянии производить жидкое топливо для добычи материалов и производить электричество для производства большего количества KiteGen с достаточным количеством энергии, оставшейся для использования остальной частью общества. Но все это зависит от того, верны ли сделанные выше предположения и действительно ли машины работают в соответствии со спецификациями.

[1] Чарльз А.С. Холл, Джессика Г. Ламберт, Стивен Б. Балог: EROI различных видов топлива и последствия для общества: Энергетическая политика 64 (2014) 141–152

[2] ЛОРЕНЦО ФАДЖИАНО Кандидатская диссертация 2009. Управление привязанными аэродинамическими профилями для высотной выработки ветровой энергии

2) Физика полета воздушного змея и выработка энергии

Различные аспекты системы питания Kite можно описать 5 основными уравнениями. Системы ветроэнергетики работают на основе извлечения кинетической энергии из движущегося воздуха, и поэтому уравнения основаны на уравнении для кинетической энергии.3

r = плотность
A = площадь кайта
V1 = скорость ветра

Мы видим здесь решающий фактор в том, что мощность увеличивается в зависимости от скорости ветра.

[3] скорость полета = скорость ветра * аэродинамическая эффективность

Как упоминалось ранее, большая часть силы на тросах создается за счет эффективности крыла. Скорость полета увеличивается с увеличением скорости ветра и аэродинамической эффективности.

Мы заканчиваем двумя уравнениями, которые описывают силу, действующую на канаты.2 * площадь крыла * air_de density (аэродинамический КПД E = 8 -: — 60 KiteGen wing = 28)

3) Различные режимы рабочего цикла.

KiteGen имеет отличную внутреннюю документацию, которая помогает глубже понять физику генерации энергии на основе воздушных змеев.

«В концепции наземного генератора, такой как KiteGen Stem, скорость разматывания и натяжение тросов являются фундаментальными факторами для определения выходной мощности. Можно показать, что когда скорость разматывания равна нулю, натяжение является максимальным, а когда скорость разматывания максимальна, т.е.е. равной абсолютной скорости ветра, натяжение равно нулю. Поскольку первая оценка выходной мощности дается как произведение натяжения кабелей на скорость разматывания бобины, нулевая скорость разматывания означает нулевую выходную мощность, а максимальная скорость разматывания означает снова нулевую выходную мощность. Следовательно, шток KiteGen должен работать с ненулевой скоростью разматывания и ненулевым натяжением. Можно найти оптимальную скорость разматывания, которая максимизирует выходную мощность. В своей статье Майлз Л. Лойд продемонстрировал, что оптимальная выходная мощность достигается при 1/3 скорости ветра.В этом сценарии более высокая абсолютная скорость ветра означает достижение большей мощности за счет увеличения как скорости разматывания, так и натяжения тросов.

Несмотря на физическую оптимальность модели Лойда [2], KiteGen выбрала другой практический подход, чтобы как управлять практическим дизайном, так и операциями, а также снизить затраты на энергию. Что происходит при увеличении абсолютной скорости ветра, показано на рис. 1–4 (суммировано на рис. 29), которые представляют кривую мощности выноса Kitegen в четырех различных гипотезах.Кривые мощности похожи на кривые обычных ветряных мельниц, однако, в то время как ветряные мельницы могут регулировать только свою мощность, KiteGen Stem регулирует как силу, так и мощность. Обратите внимание, что эта кривая действительна только во время фазы разматывания и поэтому не учитывает рабочий цикл машины ».

Рисунок 29 Четыре фазы работы KiteGen. Верхняя панель — это сила, средняя панель — сила, а нижняя панель — скорость разматывания. Ключевой особенностью является «стадия B», где наматывание и выработка энергии равны нулю, поскольку система наращивает номинальное усилие, в этом примере 200 000 Н в каждом канате (средняя панель), достигаемые при скорости ветра 5.42 м / с. При достижении номинального усилия канаты начинают разматываться, и мощность вырабатывается (стадия C), и мощность продолжает расти со скоростью ветра (сравните верхнюю и нижнюю панели), при этом сила на канатах сохраняется. На скорости 16,97 м / с достигается номинальная мощность машины, в данном случае 4 МВт. Обратите внимание, что скорость разматывания мотовила равна скорости ветра минус 5,42 м / с.

Кривая мощности KiteGen Stem разделена на четыре зоны в зависимости от абсолютной скорости ветра.

— Зона A: Машина выключена, потому что абсолютная скорость ветра ниже скорости включения.

Зона A и зона B разделены скоростью включения

— Зона B: Машина не разматывает кабели, сила в кабеле ниже номинальной.

Зона B и зона C разделены максимальной скоростью

— Зона C: Зона полной силы: абсолютная скорость ветра выше скорости ветра полной силы. Машина работает с номинальным натяжением каждого троса. Вырабатываемая мощность варьируется и ниже максимальной.Машина регулируется, чтобы поддерживать постоянное номинальное усилие в тросах.

Зона C и зона D разделены максимальной скоростью

— Зона D: Зона полной мощности: абсолютная скорость ветра выше скорости ветра полной мощности. Сила в кабелях поддерживается равной номинальной, а генерируемая мощность равна максимальной мощности. Регулировка машины осуществляется путем размещения кайта вне зоны мощности.

При таком подходе кабели работают с номинальным натяжением, а генераторы работают с номинальным крутящим моментом и / или мощностью.

4) Закон Беца

Ветровые турбины работают за счет извлечения части кинетической энергии ветра, проходящего через лопасти турбины. Мы можем представить себе цилиндр или трубу с воздухом, проходящим через лопасти, которые отбирают часть кинетической энергии. Представим, что мы можем извлечь всю кинетическую энергию, тогда скорость ветра на выходе будет равна нулю, и воздух не будет проходить через лопасти, следовательно, производство энергии будет нулевым. Это говорит нам о том, что мы не можем извлечь всю энергию.Точно так же на другом конце шкалы, если ветер дует прямо, мы не извлекаем энергии. Ясно, что где-то между этими концевыми элементами может быть оптимальное количество энергии, которое турбина может извлечь из воздуха, проходящего через лопасти.

Закон Беца от 1919 года определяет это оптимальное количество энергии, которое ветряная турбина может извлекать из ветра. Оказывается, 59,3% кинетической энергии ветра может быть извлечено, когда выходная скорость воздушного потока равна 1/3 входной скорости.

М. Ипполито утверждал, что закон Бец не применяется к KiteGen, и я считаю, что он прав. Расчет Беца применяется к потоку ветра через лопатку турбины. Удаление кинетической энергии применяется только к цилиндру или воздуховоду, протекающему через турбину, определяемому круглой площадью вращающихся лопастей, более известной как фронт ветра.

Для воздушного змея, летящего по кругу или по фигуре восьмерки по небу, есть два способа определить фронт ветра.2. Это в 125 раз больше, чем площадь, охватываемая эквивалентным ротором турбины. Я считаю, что это может быть так, что кайт никогда не должен извлекать более 59,3% энергии в зоне траектории полета по траектории. Но на практике воздушный змей может управлять или ему нужно извлекать только часть 1% кинетической энергии ветра, доступной ему.

[1] ЛОРЕНЦО ФАДЖИАНО Кандидатская диссертация 2009. Управление привязанными аэродинамическими профилями для высотной выработки ветровой энергии

[2] Майлз Л.Лойд (1980) J. Energy: Crosswind KitePower

[Примечание добавлено 18 августа 2016 г .: Через 45 дней комментарии ко всем сообщениям по вопросам энергетики закрываются. Следовательно, комментарии, закрытые здесь сегодня, так же, как появлялись интересные комментарии. Я предлагаю открыть новую ветку комментариев по высокогорной ветроэнергетике (HAWP) примерно через неделю.]

Hyosung Heavy Industries> Сфера деятельности> Новые возобновляемые источники энергии> Ветряная турбина

Компания Hyosung Heavy Industries разработала ветряные турбины, гордясь тем, что вносит свой вклад в развитие отечественной энергетической и экологической промышленности.С середины 1990-х годов он продвигает разработку ветряных турбин и обладает передовыми технологии в основных компонентах ветряных турбин, таких как редукторы, генераторы, контроллеры и башни. Hyosung Heavy Industries — ведущая компания в области производства ветряных турбин в стране. В 2006 году мы завершили разработку ветряной турбины мощностью 750 кВт, ветряная турбина мощностью 2 МВт в 2009 году и морская ветряная турбина мощностью 5 МВт в 2014 году на основе наших обширных инженерных возможностей. и мы стали глобальной компанией в области экологически чистой энергии, ориентированной на людей и окружающую среду.

Тип продукта и характеристики

HS139-5.5MWHS90-2MWHS50-750кВт

Морская ветряная турбина мощностью 5 МВт, установленная в 2014 году на Национальном демонстрационном комплексе ветроэнергетики Кимнён в Чеджу, и получила международное одобрение немецкого DEWI-OCC в 2015 году. Кроме того, мы планируем получить специальное одобрение для морской ветряной установки мощностью 5,5 МВт ветряная турбина с повышенной безопасностью и улучшенной выработкой электроэнергии в условиях внутреннего тайфуна до первой половины 2019 года.

HS139-5,5 МВт

HS139-5,5 МВт
Эксплуатационные данные
Класс ветра	IIB (GL Offshore 2006)
Врезка l Вырез	3,4 м / с \| 25 м / с
Экстремальная скорость ветра	77 м / с
Генератор
Тип	PMSG
Напряжение	3,300 В
Номинальная мощность	5 500 кВт
Номинальная частота вращения	1096 об / мин (50/60 Гц)
Ротор
Диаметр ротора	Прил.139 м
Площадь очистки	15,175㎡
Материал лезвия	GFRP
Коробка передач
Тип	2 планетарных / 1 винтовой
Передаточное число	1: 93: 3 (50/60 Гц)
Охлаждение	с водяным охлаждением
Башня
Тип	Стальные трубы
Высота ступицы	100м
прочие
Рабочая температура.	-10 — 40 ℃
Темп. Выживания.	-20 — 50 ℃
Резервная система	Применяется

Система ветряных турбин HS90 компании Hyosung Heavy Industries максимизирует выработку энергии с оптимального угла и обеспечивает удовлетворенность клиентов, обеспечивая при этом высокую надежность, отличные характеристики и ориентированное на клиента обслуживание продукции.В Ветряная турбина HS90, использующая метод активного рыскания, представляет собой 3-лопастную ветровую турбину с регулировкой угла наклона, направленную против ветра. Поскольку ротор оснащен шаговым подшипником с 3 лопастями, способным регулировать полный диапазон, и системой переменного шага, эта переменная система шага максимизирует выработку мощности под прямым углом.

HS90-2MW

HS90-2MW
Эксплуатационные данные
Класс ветра	ДВС IIA
Врезка l Вырез	4 м / с \| 25 м / с
Номинальная скорость ветра	11-12 м / с
Экстремальная скорость ветра	59.5 м / с
Генератор
Тип	DFIG
Напряжение	690В
Номинальная мощность	2,000 кВт
Номинальная частота вращения	1980 об / мин (60 Гц)
Ротор
Диаметр ротора	90.6 мес.
Площадь очистки	6,447㎡
Материал лезвия	GFRP
Коробка передач
Тип	2 планетарных / 1 винтовой
Передаточное число	1: 125 (60 Гц)
Охлаждение	С воздушным охлаждением
Башня
Тип	Стальные трубы
Высота ступицы	80 кв.м
прочие
Рабочая температура.	-10 — 40 ℃
Темп. Выживания.	-20 — 50 ℃
Резервная система	Kk-пилот и WindDesk
Сертификат
Сертификат типа	DEWI-OCC
Заявление о соответствии	DEWI-OCC

Компания Hyosung Heavy Industries впервые в Корее разработала ветряную турбину HS50, основанную на технологиях и ноу-хау генераторов и редукторов за 30 лет.

HS50-750кВт

HS50-750 кВт
Эксплуатационные данные
Класс ветра	ДВС IIA
Врезка l Вырез	4 м / с \| 25 м / с
Номинальная скорость ветра	12-13м / с
Экстремальная скорость ветра	70 м / с
Генератор
Тип	DFIG
Напряжение	690В
Номинальная мощность	750 кВт
Номинальная частота вращения	1980 об / мин (60 Гц)
Ротор
Диаметр ротора	50 м
Площадь очистки	1 964㎡
Материал лезвия	GFRP
Коробка передач
Тип	1 планетарный / 2 винтовой
Передаточное число	1:71.2 (60 Гц)
Охлаждение	С воздушным охлаждением
Башня
Тип	Стальные трубы
Высота ступицы	50 м
прочие
Рабочая температура.	-10 — 40 ℃
Темп. Выживания.	-20 — 50 ℃
Резервная система	Hyosung SCADA
Сертификат
Сертификат типа	DEWI-OCC
Заявление о соответствии	DEWI-OCC

Управление мощностью ветряных турбин

Ветряные турбины предназначены для максимально дешевого производства электроэнергии.Поэтому ветряные турбины обычно проектируются так, чтобы обеспечивать максимальную мощность при скорости ветра около 15 метров в секунду. (30 узлов или 33 миль в час). Нет смысла разрабатывать турбины, которые увеличивают свою мощность при более сильном ветре, потому что такие сильные ветра редки.

В случае более сильных ветров необходимо тратить часть избыточной энергии ветра, чтобы не повредить ветряк. Поэтому все ветряные турбины спроектированы с каким-либо контролем мощности.Есть два разных способа сделать это безопасно на современных ветряных турбинах.

Ветряные турбины с регулируемым шагом

На ветряной турбине с регулируемым шагом электронный контроллер турбины проверяет выходную мощность турбины несколько раз в секунду. Когда выходная мощность становится слишком высокой, он посылает команду механизму шага лопастей, который немедленно слегка отклоняет (поворачивает) лопасти ротора от ветра. И наоборот, лопасти снова поворачиваются против ветра, когда ветер снова стихает.

Таким образом, лопасти ротора должны иметь возможность поворачиваться вокруг своей продольной оси (с шагом), как показано на рисунке.

Обратите внимание, что картина преувеличена:

Во время нормальной работы лопасти будут наклоняться на доли градуса за раз — и ротор будет вращаться одновременно.

Проектирование ветряной турбины с регулируемым шагом требует умной инженерии, чтобы убедиться, что лопасти ротора точно соответствуют требуемой величине.На ветряной турбине с регулируемым шагом компьютер обычно будет наклонять лопасти на несколько градусов при каждом изменении ветра, чтобы поддерживать лопасти ротора под оптимальным углом, чтобы максимизировать мощность при всех скоростях ветра.

Механизм шага обычно приводится в действие гидравликой.

Ветряные турбины с контролируемым срывом

В ветряных турбинах с пассивным управлением срывом лопасти ротора закреплены на ступице под фиксированным углом.

Однако геометрия профиля лопасти ротора была аэродинамически спроектирована так, чтобы в момент, когда скорость ветра становится слишком высокой, создается турбулентность на стороне лопасти ротора, которая не обращена к ветру, как показано на рисунке на предыдущей странице. . Этот срыв предотвращает воздействие подъемной силы лопасти ротора на ротор.

Если вы читали раздел по аэродинамике и аэродинамика и срыв , вы поймете, что по мере того, как фактическая скорость ветра в этом районе увеличивается, угол атаки лопасти ротора будет увеличиваться, пока в какой-то момент она не начнет срываться.

Если вы внимательно посмотрите на лопасть ротора ветряной турбины, управляемой срывом, вы заметите, что лопасть слегка скручивается при движении вдоль ее продольной оси. Частично это делается для того, чтобы лопасти ротора останавливались постепенно, а не внезапно, когда скорость ветра достигает критического значения. (Другие причины скручивания лопасти указаны в предыдущем разделе по аэродинамике).

Основным преимуществом управления срывом является то, что он позволяет избежать движущихся частей в самом роторе и сложной системы управления.С другой стороны, управление срывом представляет собой очень сложную проблему аэродинамического проектирования и связанные с этим проблемы проектирования в динамике конструкции всей ветряной турбины, например чтобы избежать вибраций, вызванных срывом. Около двух третей ветряных турбин, устанавливаемых в настоящее время в мире, являются машинами с системой управления остановками.

Активные ветряные турбины с контролируемым срывом

Все большее количество более крупных ветряных турбин (1 МВт и выше) разрабатывается с активным механизмом регулирования мощности останова.

Технически машины с активной стойкой напоминают машины с регулируемым шагом, так как у них есть подвижные лопасти. Чтобы получить достаточно большой крутящий момент (вращающее усилие) при низких скоростях ветра, машины обычно запрограммированы так, чтобы их лопасти были наклонены так же, как машина с регулируемым шагом при низких скоростях ветра. (Часто они используют только несколько фиксированных шагов в зависимости от скорости ветра).

Когда машина достигнет своего номинальная мощность , тем не менее, вы заметите важное отличие от машин с регулируемым шагом: если генератор вот-вот будет перегружен, машина наклонит свои лопасти в противоположном направлении от того, что делает машина с регулируемым шагом.Другими словами, это увеличит угол атаки лопастей ротора, чтобы лопасти уходили в более глубокий срыв, таким образом тратя лишнюю энергию на ветер.

Одним из преимуществ активного сваливания является то, что можно более точно контролировать выходную мощность, чем с пассивным срывом, чтобы избежать превышения номинальной мощности машины в начале порыва ветра. Еще одно преимущество состоит в том, что машина может работать почти точно на номинальной мощности при всех высоких скоростях ветра.Обычная ветряная турбина с пассивным управлением срывом обычно будет иметь падение выходной электрической мощности при более высоких скоростях ветра, поскольку лопасти ротора входят в более глубокое сваливание.

Механизм шага обычно приводится в действие с помощью гидравлики или электрических шаговых двигателей.

Как и в случае с регулировкой шага, это в значительной степени экономический вопрос, стоит ли платить за дополнительную сложность машины, когда добавляется механизм шага лопастей.