Ветроэнергетика поражает многообразием и необычным дизайном конструкций ветрогенераторов. Существующие конструкции ветрогенераторов, а также предлагаемые проекты ставят ветроэнергетику вне конкуренции по оригинальности технических решений по сравнению со всеми остальными мини-энергокомплексами, работающими с использованием ВИЭ.
В настоящее время существует множество различных концептуальных конструкций ветрогенераторов, которые по типу ветроколес (роторов, турбин, винтов) можно разделить на два основных вида. Это ветродвигатели с горизонтальной осью вращения (крыльчатые) и с вертикальной (карусельные, так называемые Н-образные турбины).
Ветряные двигатели с горизонтальной осью вращения. В ветряках с горизонтальной осью вращения роторный вал и генератор располагаются наверху, при этом система должна быть направлена на ветер. Малые ветряки направляются с помощью флюгерных систем, в то время как на больших (промышленных) установках есть датчики ветра и сервоприводы, которые поворачивают ось вращения на ветер. Большинство промышленных ветрогенераторов оснащены коробками передач, которые позволяют системе подстраиваться под текущую скорость ветра. В силу того, что мачта создает турбулентные потоки после себя, ветроколесо обычно ориентируется по направлению против воздушного потока. Лопасти ветроколеса делают достаточно прочными, чтобы предотвратить их соприкосновение с мачтой от сильных порывов ветра. Для ветряков такого типа не нужны установки дополнительных механизмов ориентации по ветру.
Ветроколесо может быть выполнено с различным количеством лопастей: от однолопастных ветрогенераторов с контргрузами до многолопастных (с числом лопастей до 50 и более). Ветроколеса с горизонтальной осью вращения выполняют иногда фиксированными по направлению, т.е. они не могут вращаться относительно вертикальной оси, перпендикулярной направлению ветра. Такой тип ветрогенераторов используется лишь при наличии одного господствующего направления ветра. В большинстве же случаев система, на которой закреплено ветроколесо (так называемая головка), выполняется поворотной, ориентирующейся по направлению ветра. У малых ветрогенераторов для этой цели применяются хвостовые оперения, а у больших ориентацией управляет электроника.
Для ограничения частоты вращения ветроколеса при большой скорости ветра применяется ряд методов, в том числе установка лопастей во флюгерное положение, использование клапанов, которые стоят на лопастях или вращаются вместе с ними, и др. Лопасти могут быть непосредственно закреплены на валу генератора, либо вращающий момент может передаваться от его обода через вторичный вал к генератору или другой рабочей машине.
В настоящее время высота мачты промышленного ветрогенератора варьируется в диапазоне от 60 до 90 м. Ветроколесо совершает 10-20 поворотов в минуту. В некоторых системах есть подключаемая коробка передач, позволяющая ветроколесу вращаться быстрее или медленнее, в зависимости от скорости ветра, при сохранении режима выработки электроэнергии. Все современные ветрогенераторы оснащены системой возможной автоматической остановки на случай слишком сильных ветров.
Основные достоинства горизонтальной оси следующие: изменяемый шаг лопаток турбины, позволяющий по максимуму использовать энергию ветра в зависимости от атмосферных условий; высокая мачта позволяет «добираться» до более сильных ветров; высокая эффективность благодаря направлению ветроколеса перпендикулярно ветру.
В то же время горизонтальная ось имеет ряд недостатков. Среди них - высокие мачты высотой до 90 м и длинные лопасти, которые трудно транспортировать, массивность мачты, необходимость направления оси на ветер и т.д.
Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения. Основным преимуществом такой системы является отсутствие необходимости направления оси на ветер, так как ВЭУ использует ветер, поступающий с любого направления. Кроме того, упрощается конструкция и уменьшаются гироскопические нагрузки, вызывающие дополнительные напряжения в лопастях, системе передач и прочих элементах установок с горизонтальной осью вращения. Особенно эффективны такие установки в областях с переменным ветром. Верти-кально-осевые турбины работают при низких скоростях ветра и любых его направлениях без ориентации на ветер, но имеют малый КПД.
Автором идеи создания турбины с вертикальной осью вращения (Н-образной турбины) является французский инженер Джордж Джин Мари Дариус (Жан Мари Дарье). Этот тип ветрогенератора был запатентован в 1931 г. В отличие от турбин с горизонтальной осью вращения Н-образные турбины «захватывают» ветер при изменении его направления без изменения положения самого ротора. Поэтому ветрогенераторы такого типа не имеют «хвоста» и внешне напоминают бочку. Ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух - четырех изогнутых лопастей.
Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается под действием подъемных сил, возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,300,35. В последнее время проводятся разработки роторного двигателя Дарье с прямыми лопастями. Сейчас ветрогенератор Дарье может рассматриваться в качестве основного конкурента ветрогенераторов крыльчатого типа.
Установка имеет довольно высокую эффективность, но при этом образуются серьезные нагрузки на мачту. Система также обладает большим стартовым моментом, который с трудом может быть создан ветром. Чаще всего это производится внешним воздействием.
Ротор савониуса
Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса, созданный финским инженером Сигуртом Савониусом в 1922 г. Вращающий момент возникает при обтекании ротора потоком воздуха за счет разного сопротивления выпуклой и вогнутой частей ротора. Колесо отличается простотой, но имеет очень низкий коэффициент использования энергии ветра - всего 0,1-0,15.
Главное преимущество вертикальных ветрогенераторов в том, что они не нуждаются в механизме ориентации на ветер. У них генератор и другие механизмы размещаются на незначительной высоте возле основания. Все это существенно упрощает конструкцию. Рабочие элементы располагаются близко к земле, что облегчает их обслуживание. Невысокая минимальная рабочая скорость ветра (2-2,5 м/с) производит меньше шума.
Однако серьезным недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора, циклично повторяющееся при работе. Из-за потерь на вращение против потока воздуха большинство ветрогенераторов с вертикальной осью вращения почти вдвое менее эффективны, чем с горизонтальной осью.
Поиск новых решений в ветроэнергетике продолжается, и уже есть оригинальные изобретения, например турбопарус. Ветрогенератор монтируется в виде длинной вертикальной трубы в 100 м высотой, в которой из-за температурного градиента между концами трубы возникает мощный воздушный поток. Сам электрогенератор вместе с турбиной предлагается установить в трубе, в результате чего поток воздуха обеспечит вращение турбины. Как показывает практика эксплуатации таких ветрогенераторов, после раскрутки турбины и специального подогрева воздуха у нижнего края трубы даже при тихом ветре (и штиле) в трубе устанавливается сильный и стабильный поток воздуха. Это делает такие ветроустановки перспективными, но только в безлюдных местностях (при работе такая установка засасывает в трубу не только мелкие предметы, но и крупных животных). Данные установки окружают специальной защитной сеткой, а систему управления располагают на достаточном расстоянии.
Специалисты работают над созданием специального устройства для уплотнения ветра - диффузора (уплотнителя энергии ветра). За год ветродвигатель этого типа успевает «поймать» в 4-5 раз больше энергии, чем обычный. Высокая скорость вращения ветроколеса достигается с помощью диффузора. В узкой его части воздушный поток особенно стремителен, даже при сравнительно слабом ветре.
Ветрогенератор с дифузором
Как известно, скорость ветра с высотой увеличивается, что создает более благоприятные условия для использования ветрогенераторов. Воздушные змеи были изобретены в Китае примерно 2 300 лет назад. Идея использования змея для подъема ветрогенератора на высоту постепенно находит реализацию.
Летающий ветрогенератор
Швейцарские конструкторы из компании Етра представили новую конструкцию надувных воздушных змеев, которые смогут поднимать до 100 кг при массе самого крыла 2,5 кг. Их можно использовать для установки на морских судах и подъема на большую высоту (до 4 км) ветряных турбин. В 2008 г. подобная система прошла испытания при плавании контейнеровоза Beluga SkySails из Германии в Венесуэлу (экономия топлива составила свыше 1 000 долл./сутки).
Например, в Гамбурге компанией Beluga Shipping такая система установлена на дизельном сухогрузе Beluga SkySails. Воздушный змей в виде параплана размером 160 м2 поднимается в воздух на высоту до 300 м за счет подъемной силы ветра. Параплан разделен на отсеки, в которые по команде компьютера по эластичным трубкам подается сжатый воздух. Компания Beluga SkySails к 2013 г. собирается оснастить такой системой около 400 грузовых судов.
Интересное решение имеет конструкция ветроголовки «Ветролов». Вращающийся корпус генератора выполнен достаточно длинным (около 0,5 м), в средней части (на промежутке от фланца генератора до лопастей) - механизм складывания лопастей. По принципу действия он похож на механизм раскрывания автоматического зонта, а лопасти напоминают крыло дельтаплана. Для того чтобы лопасти не упирались друг в друга во время складывания, оси их закрепления несколько смещены. Четыре лопасти (через одну) идут вовнутрь, а четыре - снаружи. После складывания площадь лобового сопротивления ветряка уменьшается почти в четыре раза, а коэффициент аэродинамического сопротивления - почти в два.
В верхней части опоры ветряка устанавливается «коромысло» с вертикальной осью вращения. На одном его конце расположен ветрогенератор, на другом - противовес. При слабом ветре ветрогенератор посредством противовеса поднят выше верхней отметки опоры и ось ветряка при этом горизонтальна. При усилении ветра давление на ветроколесо растет и оно начинает опускаться, поворачиваясь вокруг горизонтальной оси. Таким образом работает еще одна система «ухода» от сильного ветра. Конструкция позволяет наращивать коромысла так, что ветрогенераторы устанавливаются друг за другом. Получается своеобразная гирлянда из одинаковых модулей, которые при слабом ветре стоят один выше другого, а при сильном уходят вниз, «прячась» в «ветровую тень» ветроколеса. Здесь также заложена способность системы адаптироваться к внешней нагрузке.
Конструкторы Маркос Мадиа, Серджио Оаши и Хуан Мануэль Пантано разработали портативный ветрогенератор Eolic. Для изготовления устройства использовались только алюминий и волокно из углеродных материалов. В собранном виде турбина Eolic имеет длину около 170 см. Для приведения Eolic из сложенного в рабочее состояние потребуется 2-3 человека и займет этот процесс 15-20 мин. Данный ветрогенератор может складываться для переноски.
Сегодня есть много дизайнерских проектов и разработок. Так, французский дизайнер Филипп Старк создал ветрогенератор Revolution Air. Проект дизайнерского ветряка носит название «Демократичная экология».
Международная группа дизайнеров и инженеров Home-energy представила свой продукт - ветрогенератор Energy Ball. Главной особенностью новинки является компоновка на нем лопастей по типу сферы. Все они соединены с ротором обоими концами. Когда ветер проходит сквозь них, он дует параллельно ротору, что увеличивает КПД генератора. Energy Ball может работать даже при очень низкой скорости ветра и производит гораздо меньше шума, чем обычные ветряки.
Уникальную ветроустановку создали конструкторы из Самары. При использовании в городской среде она дешевле, экономичнее и мощнее европейских аналогов. Ветрогенератор Третьякова представляет собой воздухозаборник, который улавливает даже относительно слабые воздушные потоки. Новинка начинает вырабатывать полезную энергию уже при скорости 1,4 м/с. Кроме того, не нужен дорогостоящий монтаж: установку можно ставить на здание, мачту, мост и т. д. Она имеет высоту 1 м и длину 1,4 м. КПД постоянный - около 52 %. Мощность промышленного аппарата - 5 кВт. На расстоянии 2 м шум от ветростанции составляет менее 20 Дб (для сравнения: шум вентилятора - от 30 до 50 Дб).
Американская компания Wind Tronics из Мичигана разработала компактную ветровую установку для применения в частных домохозяйствах. Разработчиком технологии является Wind Tronics, а производственный гигант Honeywell наладил изготовление ветровых установок. Дизайн предусматривает нулевой ущерб окружающей среде.
В этой установке используется турбинная безредукторная крыльчатка Blade Tip Power System (BTPS), что позволяет ветрогенератору работать в гораздо более широком диапазоне скоростей ветра, а также снизить механическое сопротивление и вес турбины. Wind Tronics начинает вращаться при скорости ветра всего 0,45 м/с и работоспособна до скорости 20,1 м/с! Расчеты показывают, что такая турбина генерирует электроэнергию в среднем на 50 % чаще и дольше, чем традиционные ветрогенераторы. Кстати, автоматика с постоянно подключенным к ней анемометром следит за скоростью и направлением ветра. При достижении максимальной рабочей скорости турбина просто поворачивается к ветру обтекаемым боком. Автоматика системы немедленно реагирует на переохлажденный дождь, способный вызвать обледенение. Технология уже запатентована более чем в 120 странах.
Интерес к малым ветровым турбинам растет во всем мире. Многие из компаний, работающих над решением этой проблемы, вполне преуспели в создании собственных оригинальных решений.
Компания Optiwind выпускает оригинальные ветровые установки Optiwind 300 (300 кВт, стоимость - 75 тыс. евро) и Optiwind 150 (150 кВт, стоимость - 35 тыс. евро). Они предназначены для коллективной экономии энергии в поселках и фермерских хозяйствах (рис. 12). Основная идея - сбор энергии ветра наборными конструкциями из нескольких турбин на приличной высоте. Optiwind 300 комплектуется 61-метровой башней, платформа акселератора имеет 13 м в диаметре, а диаметр каждой турбины составляет 6,5 м.
Необычный вид имеет конструкция турбины GEDAYC (рис. 13). Малый вес позволяет турбине эффективно вращать электрогенератор при скорости ветра 6 м/с. Новая конструкция лопастей использует принцип, подобный «системе» воздушного змея. Турбины GEDAYC уже установлены на трех ветрогенераторах мощностью 500 кВт, снабжающих энергией горные выработки. Установка турбин GEDAYC и их опытная эксплуатация показали, что благодаря новой конструкции турбины легче, удобнее в транспортировке и проще в обслуживании.
Компанией Earth Tronics разработан новый тип «домашних» ветряных турбин Honeywell. Система позволяет вырабатывать электроэнергию на кончиках лопастей, а не на оси (как известно, скорость вращения концов лопастей гораздо выше скорости вращения оси). Таким образом, турбина Honeywell не использует редуктор и генератор, как в обычных ветрогенераторах, что упрощает конструк-цию, уменьшает ее вес и порог скорости ветра, при котором ветрогенератор начинает производить электроэнергию.
В Китае создан опытный проект ветрогенератора с магнитной левитацией. Магнитная подвеска позволила снизить стартовую скорость ветра до 1,5 м/с и соответственно на 20 % повысить суммарную отдачу генератора в течение года, что должно снизить стоимость вырабатываемой электроэнергии.
Компания Maglev Wind Turbine Technologies из Аризоны намерена производить ветровые турбины с вертикальной осью Maglev Turbine максимальной мощностью 1 ГВт. Экзотическая модель ветровой турбины выглядит как высотное здание, но по отношению к своей мощности она небольшая. Одна турбина Maglev может обеспечить энергией 750 тыс. домов и занимает площадь (вместе с зоной отчуждения) около 40 га. Придумал эту турбину изобретатель Эд Мазур, основатель компании MWTT. Maglev Turbine плавает на магнитной подушке. Главные компоненты новой установки находятся на уровне земли, их проще обслуживать. В теории новая турбина нормально работает как при крайне слабом ветре, так и при очень сильном (свыше 40 м/с). Компания намерена открыть научные и образовательные центры поблизости от своих турбин.
При изучении творческого наследия гениального русского инженера Владимира Шухова (1853-1939 гг.) специалисты ООО «Инбитек-ТИ» обратили внимание на его идеи использования стальных стержневых гиперболоидов в архитектуре и строительстве.
Потенциал подобных конструкций сегодня до конца не изучен и не исследован. Известно также, что Шухов называл свои работы с гиперболоидами «исследованиями». На основе его идей появилась разработка ветрогенераторов роторного типа абсолютно новой конструкции. Подобная конструкция позволит получать электроэнергию даже при очень малых скоростях ветрового потока. Для запуска из состояния покоя необходима скорость ветра 1,4 м/с. Это достигнуто за счет использования эффекта левитации ротора ветрогенратора. Ветрогенератор подобного типа способен начать работу даже в восходящих потоках воздуха, что имеет место, как правило, рядом с рекой, озером, болотом.
Еще один любопытный проект - ветрогенератор Mobile Wind Turbine - разработали дизайнеры студии Pope Design (рис. 17) [10]. Это мобильный ветрогенератор, расположенный на базе грузовой машины. Для управления Mobile Wind Turbine нужен лишь оператор-водитель. Этот ветрогенератор можно будет использовать в зонах стихийных бедствий, во время ликвидации последствий ЧП и при восстановлении инфраструктуры.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Современное состояние ветроэнергетики, предлагаемые конструкции и технические решения ветрогенераторов и «уплотнителей ветра» позволяют создавать мини-ветроэлектростанции для частного использования практически повсеместно. Порог скорости «трогания» ветрогенератора значительно снижен благодаря техническим разработкам, массогабаритные показатели ВЭУ также уменьшаются. Это позволяет эксплуатировать ветроэнергетические установки в «домашних» условиях.
Светлана КОНСТАНТИНОВА, кандидат технических наук, доцент БНТУ
источник
ec.cfuv.ru
Мощность потока, или как ее еще называют секундная энергия, пропорциональны кубу скорости ветра. Что значит — если скорость ветра возрастет, допустим, в два раза, то энергия потока воздушного возрастет в 23 раза, а именно 23= 2х2х2= 8 раз.
Развиваемая ветродвигателем мощность будет меняться пропорционально квадрату диаметра ветроколеса. Что значит при увеличении в два раза диаметра ветроколеса – получим увеличение мощности при той же скорости ветра в четыре раза.
Однако не всю энергию, протекающую через ветроколесо, можно превратить в полезную работу. Некоторая часть энергии потеряется при преодолении сопротивления ветроколеса воздушному потока, а также на другие потери. Также довольно большая часть воздушной энергии будет содержатся в потоке, уже прошедшем через ветроколесо. В теории крыльчатых ветродвигателей доказывается:
Это число, которое показывает, какая часть мощности воздушного потока будет полезно использоваться ветроколесом. Этот коэффициент обозначается обычно греческой буквой χ (кси). Величина его зависит от ряда факторов, таких как тип ветромотора, качества изготовления и формы его лопастей и прочих факторов. Для быстроходных ветродвигателей, которые имеют обтекаемую аэродинамическую форму крыльев, коэффициент χ составляет примерно от 0,42 до 0,46. Это значит, что машины такого типа могут превращать в полезную механическую работу порядка 42%-46% ветрового потока, проходящего через установку. Для тихоходных же машин данный коэффициент составляет порядка 0,27 – 0,33. Теоретическое максимальное значение χ для идеальных крыльчатых ветродвигателей составляет примерно 0,593. Крыльчатые установки получили довольно широкое распространение, и они массово начали выпускаться промышленностью. Их разделяют на две группы:
Тихоходные – от 4 до 24 лопастей;
Быстроходность является одним из преимуществ, так как делает более простой передачу энергии ветра таким быстроходным устройствам как электрогенератор. Более того, они более легкие и имеют более высокий коэффициент использования скорости ветра, чем тихоходные, как это упоминалось выше.
Однако кроме достоинств, у них есть и серьезный недостаток, такой как в несколько раз меньший вращающий момент при неподвижном ветроколесе и при одинаковых диаметрах колес и скорости ветра, чем у тихоходных установок. Ниже приведены две аэродинамические характеристики:
Где пунктиром показано 18-лопастное ветроколесо, а сплошной – 3ех лопастное. По горизонтальной оси отложено число модулей Z ветроколеса или его быстроходность. Данная величина определяется отношением скорости ωхR конца лопасти к скорости ветра V.
Из характеристики ветродвигателя можно сделать вывод, что каждая скорость ветра может иметь только единственное число оборотов, при котором можно получить максимальный χ. Кроме того, при наличии одинаковой скорости ветра тихоходное устройство будет иметь момент в несколько раз больший, чем быстроходное, и соответственно оно начнет работать при скорости ветра меньшей, чем быстроходное. Это довольно значительный фактор, так как увеличивает количество часов работы ветродвигателя.
Принцип их работы основывается на аэродинамических силах, которые возникнут на лопастях ветроколеса, когда на них набежит воздушный поток. Для того, чтоб увеличить мощность крыльям придают обтекаемые, аэродинамические профили, а углы заклинения делают переменными вдоль лопасти (чем ближе к валу – тем больше углы, а на конце меньшие). Схема показана ниже:
Имеется три основные части данного механизма – лопасть, мах, с помощью которого колесо крепится к ступице. Угол заклинения φ – угол между плоскостью вращения колеса с лопастью. Угол атаки α – угол набега ветра на элементы лопасти.
При заторможенном ветроколесе направления потока, набегающего на лопасть, и направление ветра совпадали (по стрелке V). Но поскольку колесо имеет какую-то скорость вращения, то соответственно каждый из элементов лопасти будет иметь определенную скорость ωxR, которая будет увеличиваться с отдалением от оси колеса. Поэтому поток, обдувающий лопасть с какой-то скоростью будет состоять из скорости ωxR и V. Данная скорость имеет название относительной скорости потока и имеет обозначение W.
Так как только при определенных углах атаки существует наилучший режим работы ветродвигателя крыльчатого, то углы заклинения φ приходится делать переменными по всей длине лопасти. Мощность ветрового двигателя, как и любого другого, определяется произведением угловой скорости ω на его момент М: P = Mxω. Можно сделать вывод, что с уменьшением количества лопастей момент М тоже снизится, однако возрастет количество оборотов ω. Именно поэтому, мощность Р = Mxω останется почти постоянной и будет слабо зависеть от количества лопастей ветряка.
Как известно кроме крыльчатых, существуют еще и барабанные, карусельные и роторные ветродвигатели. У карусельных и роторных типов ось вращения вертикальная, а в барабанных – горизонтальная. Пожалуй, главным отличием крыльчатых ветродвигателей от барабанных и карусельных будет то, что у крыльчатых работают все лопасти одновременно, в то время как у барабанных и карусельных работает лишь та часть лопастей, движение которых будет совпадать с направлением движения ветра.
Для уменьшения сопротивления лопастей, которые идут навстречу ветру, их либо делают изогнутыми, либо прикрывают ширмой. Вращающий момент при использовании такого типа двигателя возникает за счет разного давления в лопастях.
Поскольку роторные, карусельные и барабанные типы ветродвигателей имеют довольно низкую эффективность (χ для данных типов не превышает 0,18), а также довольно громоздкие и тихоходные на практике они не получили массового применения.
elenergi.ru
Ветряными двигателями называются сооружения, служащие для использования энергии движущегося воздуха – ветра. Энергия ветра иногда называется энергией «голубого угля».
Этот вид энергии имеет важное значение для сельского хозяйства, где ветряные двигатели могут выполнять многие разнообразные работы: помол зерна, выкачивание воды, размешивание глины и т. д.
Ветер представляет собой источник дешёвой энергии, к сожалению обладающий большим непостоянством. Поэтому ещё щ сих пор он используется относительно мало. Лишь в последние годы снова начали интересоваться энергией ветра с целью использования её для нужд промышленности и особенно сельского хозяйства.
Опытами найдено, что сила давления ветра, действующая на перпендикулярно поставленную площадку, зависит от скорости ветра, формы и величины поверхности площадки.
Пусть ветер действует на пластинку АВ под некоторым углом с силой F.
Построим параллелограмм сил F, F1, F2. Сила F2 направлена вдоль пластинки АВ и давления на пластинку не оказывает. На пластинку АВ действует только сила F1 – F · sin ?. Чем ближе угол между направлением ветра и поверхностью пластинки к 90°, тем большее давление последняя будет испытывать. Если пластинка АВ насажена на ось, то под действием слагающей давления F1 она придёт во вращение.
Схема одного из типов ветряных двигателей изображена на рисунке.
Главными его частями являются: а) ветровое колесо A, состоящее из нескольких крыльев; б) головка В – механизм, преобразующий вращение ветрового колеса в более быстрое вращение вертикального вала D, связанного с рабочим механизмом; в) устройство для поворота ветрового колеса навстречу ветру, например хвост С.
Современные ветряные двигатели снабжаются приспособлениями для автоматического поворачивания рабочего колеса при изменении направления ветра.
На рисунке изображена старая ветряная мельница (слева) и современная ветроэлектрическая станция мощностью 100 квт (справа).
scibio.ru
ВЕТРОДВИГАТЕЛЬ, устройство, преобразующее энергию ветра в энергию вращательного движения. Основным рабочим органом ветродвигателя является вращающийся агрегат колесо, приводимое в движение ветром и жестко связанное с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу. Вал устанавливается горизонтально или вертикально. Ветродвигатели обычно используются для выработки энергии, потребляемой периодически: при накачке воды в емкости, помоле зерна, во временных, аварийных и местных сетях электропитания.
Хотя приземные ветры дуют не всегда, меняют свое направление и сила их непостоянна, ветродвигатель представляет собой одну из древнейших машин для получения энергии из природных источников. Из-за сомнительной надежности древних письменных сообщений о ветродвигателях не вполне ясно, когда и где такие машины появились впервые. Но, судя по некоторым записям, они существовали уже до 7 в. н.э. Известно, что в Персии их применяли в 10 в., а в Западной Европе первые устройства этого типа появились в конце 12 в. В течение 16 в. окончательно сформировался шатровый тип голландской ветряной мельницы. Особых изменений в их конструкции не наблюдалось вплоть до начала 20 в., когда в результате исследований были значительно усовершенствованы формы и покрытия крыльев мельниц. Поскольку низкооборотные машины громоздки, во второй половине 20 в. стали строить высокооборотные ветродвигатели, т.е. такие, ветроколеса которых могут совершать большое число оборотов в минуту с высоким коэффициентом использования энергии ветра.
В настоящее время применяются три основных типа ветродвигателей барабанный, крыльчатый (винтового типа) и роторный (с S-образным профилем репеллера).
Хотя ветроколесо барабанного типа имеет наименьший коэффициент использования энергии ветра по сравнению с другими современными репеллерами, применяется оно наиболее широко. На многих фермах с его помощью качают воду, если по какой-либо причине нет сетевого электричества. Типичная форма такого колеса с лопастями из листового металла приведена на рис. 1. Ветроколеса барабанного и крыльчатого типа вращаются на горизонтальном валу, так что их необходимо поворачивать на ветер, чтобы получить наилучшие эксплуатационные характеристики. Для этого им придается руль направления лопасть, расположенная в вертикальной плоскости, чем и обеспечивается разворот ветроколеса на ветер. Диаметр колеса крупнейшего в мире ветродвигателя крыльчатого типа составляет 53 м, максимальная ширина его лопасти равна 4,9 м. Ветроколесо напрямую соединено с электрическим генератором мощностью 1000 кВт, которая развивается при скорости ветра не менее 48 км/ч. Его лопасти регулируются таким образом, что скорость вращения ветроколеса остается постоянной и равной 30 об/мин в диапазоне скоростей ветра от 24 до 112 км/ч. Благодаря тому, что в местности, где располагают такие ветродвигатели, ветры дуют довольно часто, ветроэнергетическая установка обычно вырабатывает ~50% максимальной мощности и питает общественную электросеть. Крыльчатые ветродвигатели широко применяются в отдаленных сельских районах для обеспечения электроэнергией ферм, в том числе для зарядки аккумуляторов систем радиосвязи. Их также используют в бортовых энергетических установках самолетов и управляемых ракет.
Установленный на вертикальном валу S-образный ротор (рис. 2) хорош тем, что ветродвигатель с таким репеллером не надо выводить на ветер. Хотя крутящий момент на его валу меняется от минимального до одной трети от максимального значения за полоборота, он не зависит от направления ветра. Когда гладкий круговой цилиндр вращается, находясь под действием ветра, на тело цилиндра действует сила, перпендикулярная направлению ветра. Это явление называется эффектом Магнуса, в честь немецкого физика, который его изучал (1852). В 19201930 А.Флеттнер применил вращающиеся цилиндры (роторы Флеттнера) и S-образные роторы взамен лопастных ветроколес, а также как движители корабля, который совершил переход из Европы в Америку и обратно.
Мощность, получаемая от ветра, обычно мала менее 4 кВт развивает агрегат устаревшего типа голландской ветряной мельницы при скорости ветра 32 км/ч. Мощность потока ветра, которую можно использовать, образуется из кинетической энергии масс воздуха, проносящихся в единицу времени перпендикулярно площади заданного размера. В ветродвигателе эта площадь определяется наветренной поверхностью репеллера. При учете высоты над уровнем моря, давления воздуха на ней и его температуры располагаемая мощность N (в кВт) на единицу площади определяется уравнением
N = 0,0000446 V3 (м/с).
Коэффициент использования энергии ветра определяется обычно как отношение мощности, развиваемой на валу ветродвигателя, к располагаемой мощности ветрового потока, воздействующего на наветренную поверхность ветроколеса. Максимальным этот коэффициент становится при определенном соотношении между скоростью внешнего края лопасти ветроколеса w и скорости ветра u; значение этого соотношения w/u зависит от типа ветродвигателя. Коэффициент использования энергии ветра зависит от вида ветроколеса и составляет от 510% (голландская мельница с плоскими крыльями, w/u = 2,5) до 3540% (профилированный крыльчатый репеллер, 5 Ј w/u Ј 10).
www.krugosvet.ru
Ветровой генератор преобразует энергию ветра в электричество. Наиболее эффективна конструкция из трех лопастей, имеющих переменный угол наклона (1). Изменяя наклон лопастей (2), можно получить максимальную эффективность при переменной силе ветре. При этом весь ротор ный агрегат вращается в зависимости от направления ветра (3). Лопасти поворачивают опорный вал (4), соединенный с генератором (5) через редуктор (6). Крупнейшие ветровые энергостанции насчитывают тысячи объединенных турбин, и могут вырабатывать столько же энергии, сколько топливная электростанция. Ветровой парк Нордфрисланд (справа) близ Биевула на севере Германии состоит из 50 ветровых турбин, каждая из которых вырабатывает 250 киловатт электроэнергии. Общая мощность парка 12,5 мегаватт.
Научно-технический энциклопедический словарь.
ветровой двигатель — vėjo variklis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Variklis, naudojantis kinetinę vėjo energiją mechaninei energijai gauti. Vėjo varikliai būna su sparnuote, karuseliniai arba rotoriniai ir būgniniai. Vėjo varikliai naudojami vėjo jėgainėse.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
Windmaschine — vėjo variklis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Variklis, naudojantis kinetinę vėjo energiją mechaninei energijai gauti. Vėjo varikliai būna su sparnuote, karuseliniai arba rotoriniai ir būgniniai. Vėjo varikliai naudojami vėjo jėgainėse.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
Windmotor — vėjo variklis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Variklis, naudojantis kinetinę vėjo energiją mechaninei energijai gauti. Vėjo varikliai būna su sparnuote, karuseliniai arba rotoriniai ir būgniniai. Vėjo varikliai naudojami vėjo jėgainėse.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
eolian motor — vėjo variklis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Variklis, naudojantis kinetinę vėjo energiją mechaninei energijai gauti. Vėjo varikliai būna su sparnuote, karuseliniai arba rotoriniai ir būgniniai. Vėjo varikliai naudojami vėjo jėgainėse.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
moteur éolien — vėjo variklis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Variklis, naudojantis kinetinę vėjo energiją mechaninei energijai gauti. Vėjo varikliai būna su sparnuote, karuseliniai arba rotoriniai ir būgniniai. Vėjo varikliai naudojami vėjo jėgainėse.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
vėjo variklis — statusas T sritis Energetika apibrėžtis Variklis, naudojantis kinetinę vėjo energiją mechaninei energijai gauti. Vėjo varikliai būna su sparnuote, karuseliniai arba rotoriniai ir būgniniai. Vėjo varikliai naudojami vėjo jėgainėse. atitikmenys:… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
wind motor — vėjo variklis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Variklis, naudojantis kinetinę vėjo energiją mechaninei energijai gauti. Vėjo varikliai būna su sparnuote, karuseliniai arba rotoriniai ir būgniniai. Vėjo varikliai naudojami vėjo jėgainėse.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
éolienne — vėjo variklis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Variklis, naudojantis kinetinę vėjo energiją mechaninei energijai gauti. Vėjo varikliai būna su sparnuote, karuseliniai arba rotoriniai ir būgniniai. Vėjo varikliai naudojami vėjo jėgainėse.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
ветродвигатель — vėjo variklis statusas T sritis Energetika apibrėžtis Variklis, naudojantis kinetinę vėjo energiją mechaninei energijai gauti. Vėjo varikliai būna su sparnuote, karuseliniai arba rotoriniai ir būgniniai. Vėjo varikliai naudojami vėjo jėgainėse.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas
Марс — I в мифологии древних римлян и других италийских народностей бог войны. М. приписывалось покровительство племенному ополчению в войне, что нашло отражение в многочисленных празднествах в его честь, справлявшихся в Риме в марте и октябре.… … Большая советская энциклопедия
dic.academic.ru
Современные ветродвигатели существенно отличаются от предыдущих ветряных мельниц. механической вращательное движение Их крыльев передается через мультипликатор генератору, который вырабатывает электричество. Эта энергия используется для производства электроэнергии для запуска двигателя, отопления, освещения или для потребления в центральной электросети. Современные ветродвигатели с механической вращательное движение крыла непосредственно применимы к операционной техники (водяные насосы, теплообменники и другие бытовые приборы).
Считается, что первые ветродвигатели появились в Персии и Китая. Они были вертикальной оси, очень простая конструкция, в основном, для полива воды. Подавляющее большинство современных ветродвигателей с горизонтальной ось вращения рабочего колеса.
Ветродвигатели с горизонтальной осью вращения, цена за киловатт установленной мощности, как правило, меньше, чем с Ветродвигатели с вертикальной осью вращения.
Основные компоненты ветродвигателя с горизонтальной ось вращения. Лопасти, коробка передач, электрогенератор, башня. Ветродвигатель может иметь разное количество лопастей,переменной или постоянной скорости. Наиболее распространенным ветродвигатели из трех крыльев.[adsense_id=»1″]
Вертикальной оси небольшие ветровые турбины, в то время простой дизайн, является относительно слабым. Его низкая скорость, громоздкие, большое механическое напряжение лопастей,низкий коэффициент использование энергии ветра (не более 18 процентов) . Основным преимуществом ветродвигателей с вертикальной осью вращения является то, что система ориентации не требуется в соответствии с направлением ветра, и важных преимущество в размещение редуктора и генератора на основании фундамента,тем самым упрощая конструкцию ветрогенератора.
Французский изобретатель Дарье в декабре 1920 года запатентовала новый дизайн вертикальной оси ветродвигателя. Энергия ветра, проходящего через площадь лопастей ветродвигателя, используется более чем на 30 процентов. Таким образом, в последние годы, и начал принимать интерес к этой конструкции ветродвигателя.
Ветродвигатель, который вращает электрогенератор с переменной скоростью, более эффективное в использование энергии ветра, но с другой стороны управление генератором и преобразование энергии от генератора представляет сложную схему. Вы можете использовать генератор постоянного тока и инверторов, что делает постоянный ток переменным. Но для больших ветродвигателей которые имеют мощные электрогенераторы инвертор не используется. Наиболее часто используемые синхронные генераторы электроэнергии.
С этой целью ветродвигатель выполняется с поворотными лопастями — таким образом при увеличение скорости ветра ветродвигатель остановиться. Различные механические и аэродинамические тормозные устройства обеспечивает устойчивый работу ротора ветродвигателя.
До 1999 года Стран Европейского сообщества в общей сложности было установлено более 4500 МВт ветровой энергии, которая используется для производства электроэнергии и жилых целей.
Крупнейший в 1997 году производители ветровой энергии в Германии — 2002 МВт, следуют Дания — 1135 МВт, в Испании — 449 МВт, Нидерланды — 349 МВт, в Англии — 333 МВт, и другие. По оценкам, в 2001 году Германия установленная мощность ветряных электростанций достигнет 3202 МВт, в Дании — 1685 МВт, в Испании — 1449 МВт, в Англии — 783 Мвт в Индии — 2670 МВт, в США — 2546 МВт, и т.д.
Ветрогенераторы могут работать в автономном режиме или включаться в общие региональные или национальные системы электроснабжения. Около 90 процентов Всех ветровых электростанций в мире были включены в эти системы.
В разных странах все большее число ветрогенераторов построено в морском побережье. Или, по краю моря. Вакантные дорогой прибрежной земли, и скорость ветра над водой выше, и менее пульсирующей, чем на суше. Таким образом возможно строить менее высокие мачты ветровых турбин, а также расширяет их ресурс работы.
Лучше всего подходит к побережью современной 600-1000 кВт ветряк, сделанный с большим опытом зарубежных компаний: Vestas V44 «,» Markham VS45, Такке TW600E, M1800-600/150 Майкона и другие.
Компания реализует полный спектр электростанций, части которого были привлечены к строительной площадке и собран на прочном фундаменте. Например «. Markham VS45 600 кВт электростанции затраты 2460000. Com, основание — 224 тысяч. Com, включения электросети, в зависимости от расстояния до подстанции — 90-300 тысяч. Com. Ветровые турбины, мощностью 600 кВт, базовая цена вместе с охраны и поддержания стоимости 2797000. Com. В течение 20 лет завод, где средняя скорость ветра 5,5 м / с могут производить 20300000. кВтч электроэнергии. Таким образом, 1 кВт-ч будет стоить £ 0,138. Как скорость ветра не является постоянной величиной, так как она определяет количество энергии, производимой на заводе отличается тем, стоимость энергии может быть выше или ниже.[adsense_id=»1»]
Одной из основных причин, почему ветряных электростанций наиболее активно строяться в море, отсутствие подходящих территорий здание на земле. Это особенно очевидно в густонаселенных странах, таких как:. Германия, Дания, Нидерланды.
· большие территории;
· более высокой средней скоростью ветра — больше выработанной электроэнергии;
· меньше порывистого ветра — меньше износ оборудования и издержек — меньше потребности в ремонте;
· нет местных жмтелей — нет проблем с шумом и визуальных отвлечений.
· фундамент, на морском дне должна быть выше, и, следовательно, более дорогими;
· сочетании с более дорогими электросетями;
· более тяжелое обслуживание при плохой погоде;
· дополнительных плавающая строительная техника, неблагоприятная погода при строительных работ;
· требуется более высокая устойчивость к коррозии материалов, то есть эффекты соли и воды и воздуха.
Ветряные турбины в оффшорных строительство, фундамент установки сложнее. Использованный различные фонды строительства. Простая конструкция — так называемый гравитационный фундамент, который находится непосредственно на подготовленное дно. Такая основа обеспечивает стабильность ветряные турбины в его тяжести.
Нравится Загрузка...
vetrodvig.ru
every body, elevated above the ground, It has potential energy. This equally applies to the water. Например, 1 m3 of water at a height of 50 m has potential energy:
Ep = 9,8 N / kg • 1000 kg • 50 m ≈ 500 000 J = 500 kJ.
When water falling down from the height of the work accomplished 500kDzh A =.
But in the nature of a relatively rare large waterfalls. riverbeds often have a small bias. In these cases, to generate pressure (head), needed for hydraulic motors, We have to raise the water level in the river artificially, by means of dams. By the energy of the lifted water hydraulic motors can perform mechanical work.
One of the simplest and oldest engines - waterwheel. The most advanced hydraulic motors - water turbines. In such turbines, water energy to the wheel, driving the turbine blades. Impeller turbine connected to an electric generator shaft, authorizing electric current. On a color inset shows VIII, hydroelectric scheme.
Wind turbines use the energy of moving air - wind. wind power energy is sometimes called "blue carbon".
Wind is a source cheap energy, but this source of energy has a great nepostoyanstvom, - this is its inconvenience.
Wind turbines have been known since ancient times. Modern pretty powerful wind turbine is shown in Figure 335.
Moving air masses exert pressure on the inclined plane of the wind turbines of the wings and bring them in motion. rotational motion wings with the help of the transmission system transmission mechanism, performing any work.
Wind turbines are used for lifting water from wells, for supplying water to the water towers; state farms, farms, train stations - for electric power and so. д. For these purposes, wind turbine power is sufficient. At a wind speed 5 m / s wind turbine wheel diameter 12 m has an output 3300 Вт (at KPD 35%). If the wind speed is 10 м/с, a wheel diameter 30 м, the power developed by the engine will be 110 000 Вт.
Конечно, economically feasible to use vetrodvigatelnye installation there, where the winds blow strongly and often. Например, the Volga region, Kazakhstan, Altai such facilities operate efficiently to 200-300 days in a year. It is convenient to use them, and in remote areas, which does not flow from the power plants, where it is difficult to bring up fuel, eg, in remote or high-altitude expeditions.
Like Loading...
tehnar.net.ua
