Типы ветроэнергетических установок. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Альтернативные источники энергии

 Комментарии к статье

Известно много различных ветроэнергетических установок (ВЭС), но все их можно разделить на два типа: с горизонтальной и вертикальной осью вращения. Первые имеют сложную конструкцию, зато обладают более высоким коэффициентом использования энергии ветра, поэтому чаще применяются в промышленности. Вторые - более просты в конструкции, но менее продуктивны. На рынке они встречаются редко и применяются обычно в частных домах.

Горизонтальные (крыльчатые) ветроколеса

Широкое распространение получили ветроустановки с крыльчатыми ветроколесами и горизонтальной осью вращения (рис.1). Среди них наибольшее развитие получили двух- и трехлопастные ветроколеса.

Горизонтальные (крыльчатые; ВЭС - лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения. Скорость вращения и простота изготовления обусловили широкое применение крыльчатых ветрогенераторов в промышленности. Чтобы обеспечить максимальную скорость вращения, лопасти крыльчатого ветряного генератора должны располагаться вертикально - перпендикулярно потоку воздухе. Для достижения этого применяется специальное устройство - стабилизатор. Горизонтальные ВЭС могут непосредственно соединяться с генератором без мультипликаторов. У крыльчатых вегрегенераторов намного выше коэффициент использования энергии ветра. В то же время скорость вращения у них обратно пропорциональна количеству крыльев. Другими словами чем меньше лопастей - тем выше скорость вращения. Поэтому установки с количеством лопастей больше трех практически не используются.

Вращающий момент ветроколеса в них создается подъемной силой, образующейся при обтекании профиля лопастей воздушным потоком. В результате кинетическая энергия воздушного потока в пределах площади, ометаемой лопастями, преобразуется в механическую энергию вращения ветроколеса.

Мощность, развиваемая на оси ветроколеса, пропорциональна квадрату его диаметра и кубу скорости ветра. По классической теории Н. Е.Жуковского, для идеального ветроколеса коэффициент использования энергии ветра ξ=0,593. То есть идеальное ветроколесо (с бесконечным числом лопастей) может извлечь 59,3% энергии, проходящей через его поперечное сечение. Реально на практике у лучших быстроходных колес максимальное значение коэффициента использования энергии ветра доходит до 0,45-0,48, а у тихоходных - до 0,36-0,38. Важной характеристикой ветроколеса является его быстроходность, представляющая собой отношение скорости движения конца лопасти к скорости ветрового потока. Конец лопасти обычно движется в плоскости ветроколеса со скоростью, которая в несколько раз выше скорости ветра. Оптимальные значения быстроходности двухлопастного колеса - 5-7, трехлопастного - 4-5, шестилопастного - 2,5-3,5.

Из конструктивных характеристик на мощность ветроколеса основное влияние оказывают его диаметр, а также форма и профиль лопастей. Мощность мало зависит от числа лопастей.

Частота вращения ветроколеса пропорциональна быстроходности и скорости вефа и обратно пропорциональна диаметру. На величину мощности влияет также высота расположения центра колеса, так как скорость ветра зависит от высоты. Мощность ВЭУ, как отмечалось, пропорциональна скорости ветра в третьей степени. При расчетной скорости ветра и выше обеспечивается работа ВЭУ с номинальной мощностью. При скоростях ветра ниже расчетной мощность ветроустановки может составлять 20-30% от номинальной и менее. При таких режимах работы происходят большие потери энергии в генераторах вследствие их низких КПД на малых нагрузках, а в асинхронных генераторах возникают, кроме того, большие реактивные токи, которые необходимо компенсировать. Для исключения этого недостатка в некоторых ВЭУ применяют генераторы с номинальными мощностями 100 и 20-30% от номинальной мощности ВЭУ.

При слабых ветрах первым генерагора отключается В некоторых ВЭУ малый генератор обеспечивает также возможность работы установки при малых скоростях ветра при пониженных оборотах с высоким значением коэффициента использования энергии ветра Установка ветроколеса "на ветер", т. е. перпендикулярно к направлению ветра, производится в агрегатах очень малой мощности с помощью хвоста (хвостового оперения), в агрегатах небольшой и средней мощности - посредством механизма виндроз, а в современных крупных установках - специальной системой ориентирования, получающей управляющий импульс отдатчика направления ветра (флюгера), установленного наверху на гондоле ветроустановки.

Механизм виндроз представляет собой одно или два небольших ветроколеса, плоскость вращения которых перпендикулярна к плоскости вращения основного колеса, работающих на привод червяка, поворачивающего платформу головки ветродвигателя до тех пор. пока виндрозы не будут лежать в плоскости, параллельной направлению ветра. Крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения может располагаться перед башней и за ней. В последнем случае лопасть подвергается постоянному многократному воздействию переменных сил при прохождении в тени башни, что одновременно значительно повышает уровень шума. Для регулирования мощности и ограничения частоты вращения ветроколеса применяется ряд способов, в том числе поворот лопастей или их части вокруг своей продольной оси, а также закрылки, клапаны на лопастях и другие способы.

Основными преимуществами ветроустановок с горизонтальной осью вращения ветроколеса является то, что условия обтекания лопастей воздушным потоком постоянны, не изменяются при повороте ветроколеса, а определяются только скоростью ветра. Благодаря этому, а также достаточно высокому значению коэффициента использования энергии ветра. ВЭУ крыльчатого типа в настоящее время получили наибольшее распространение.

Вертикальные (роторные) ветроколеса

Другой разновидностью ветроколеса является ротор Савониуса (рис. 2). 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 0,10-0,15. В последние годы в ряде зарубежных стран, особенно в Канаде, начали заниматься разработкой ветродвигателя с ротором Дарье, предложенным во Франции в 1920 г. Этот ротор имеет вертикальную ось вращения и состоит из двух-чегырех изогнутых лопастей. Лопасти образуют пространственную конструкцию, которая вращается пол действием подъемных сил. возникающих на лопастях от ветрового потока. В роторе Дарье коэффициент использования энергии ветра достигает значений 0,30-0,35 В последнее время проводятся разработки роторного двигателя Дарье с прямыми лопастями.

Главным преимуществом ветроустановок Дарье является то, 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. Однако серьезным органическим недостатком этих ветродвигателей является значительное изменение условий обтекания крыла потоком за один оборот ротора, циклично повторяющееся при работе. Это может вызывать усталостные явления и приводить к разрушению элементов ротора и серьезным авариям, что должно учитываться при конструировании ротора (особенно при больших мощностях ВЭУ). Кроме того, для начала работы их требуется раскрутить.

Вертикальные (карусельные, роторные) ВЭС - лопастные механизмы с вертикальной осью вращения. Работают при низких скоростях ветра, но имеют малую эффективность. Поэтому встречаются они достаточно редко и применяются, как правило, в домашних системах. В то же время, в отличие от горизонтальных, могут работать при любом направлении ветра, не изменяя своего положения. Установка сама следит "откуда ветер дует", следовательно, ей не нужны никакие дополнительные устройства. Карусельные ветроустановки тихоходны, что позволяет применять в них простые электросхемы для съема энергии, в частности, асинхронные генераторы. В то же время тихоходность ограничивает применение вертикальных ВЭС, так как вынуждает применять повышающие редукторы - мультипликаторы, имеющие очень низкий КПД. Без мультипликатора такую установку эксплуатировать проблемно.

Рис.2. Ротор Савониуса: а) двухлопастный, б) четырехлопастный

Зависимости коэффициента использования энергии ветра ξ, от быстроходности Z для различных типов ветроколес приведены на рис.3. Видно, что наибольшее значение Е, имеют двух- и трехлопастные колеса с горизонтальной осью вращения. Для них высокое ξ сохраняется в широком диапазоне быстроходности Z. Последнее существенно, так как ветроустановкам приходится работать при скоростях ветра, изменяющихся в больших пределах. Именно поэтому установки этого типа получили в последние годы наибольшее распространение.

Рис.3. Типовые зависимости коэффициента использования энергии ветра ξ, от быстроходности ветроколеса Z: 1 - идеальное крыльчатое ветроколесо; 2, 3 и 4 - двух-, трех- и многолопастные крыльчатые ветроколеса; 5 - ротор Дарье; 6 - ротор Савониуса; 7 - четырехлопастное ветроколесо датской мельницы.

Смотрите другие статьи раздела Альтернативные источники энергии.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Оптимальная продолжительность сна 12.11.2025

Сон играет ключевую роль в поддержании здоровья, когнитивных функций и общего самочувствия. Несмотря на широко распространенный стереотип о восьмичасовом сне, последние исследования показывают, что оптимальная продолжительность сна для большинства здоровых взрослых ближе к семи часам. Эволюционный биолог из Гарварда, Дэниел Э. Либерман, утверждает, что традиционная норма восьми часов сна - это скорее культурное наследие индустриальной эпохи, чем биологическая необходимость. По его словам, полевые исследования, проведенные в сообществах, не использующих электричество, показывают, что средняя продолжительность сна составляет 6-7 часов, что значительно отличается от общепринятого стандарта. Современные эпидемиологические данные подтверждают этот взгляд. Исследования выявили так называемую "U-образную кривую" зависимости между продолжительностью сна и рисками для здоровья. Минимальные показатели заболеваемости и смертности наблюдаются именно у людей, спящих около семи часов в сутки. ...>>

Дефицит кислорода усиливает выброс закиси азота 12.11.2025

Парниковые газы играют ключевую роль в изменении климата, а закись азота (N2O) - один из наиболее опасных среди них. Этот газ не только втрое сильнее углекислого газа в удержании тепла, но и разрушает озоновый слой. Недавнее исследование американских ученых показало, что микробы в зонах с низким содержанием кислорода активно производят N2O, усиливая глобальные климатические риски. Команда из Университета Пенсильвании изучала прибрежные воды у Сан-Диего и провела наблюдения на глубинах от 40 до 120 метров в Восточной тропической северной части Тихого океана - одной из крупнейших зон дефицита кислорода. Исследователи сосредоточились на том, как морские микроорганизмы превращают нитраты в закись азота. В ходе работы выяснилось, что существует два пути образования N2O. Один путь начинается с нитрата, другой - с нитрита. На первый взгляд более короткий путь должен быть эффективнее, однако микробы, использующие нитрат, продуцируют больше газа, поскольку этот "сырьевой" источник более д ...>>

Омега-3 помогают молодым кораллам выживать 11.11.2025

Сохранение коралловых рифов становится все более актуальной задачей в условиях глобального изменения климата. Молодые кораллы особенно уязвимы на ранних стадиях развития, когда стрессовые условия и нехватка питательных веществ могут привести к высокой смертности. Недавнее исследование ученых из Технологического университета Сиднея показывает, что специальные пищевые добавки способны существенно повысить выживаемость личинок кораллов. В ходе работы исследователи разработали особый состав "детского питания" для коралловых личинок. В него вошли масла, богатые омега-3 жирными кислотами, а также важные стерины, необходимые для формирования клеточных мембран. Личинки, получавшие эти добавки, развивались быстрее, становились крепче и демонстрировали более высокую устойчивость к стрессовым факторам. Особое внимание ученые уделили липидам. Анализ показал, что личинки активно усваивают эти вещества, что напрямую влияет на их жизнеспособность. Стерины, содержащиеся в корме, повышают устойчи ...>>

Случайная новость из Архива Ракета Blue Origin 11.12.2019 Частная американская аэрокосмическая компания Blue Origin основателя Amazon Джеффа Безоса, которая является одной из основных конкуренток компании Илона Маска SpaceX запустит космический корабль New Shepard для суборбитального полета. Сегодня компания Blue Origin американского миллиардера Джеффа Безоса планирует запустить к условной границе между атмосферой и космосом - около 100 км - многоразовую ракету-носитель New Shepard. На борту, помимо коммерческих грузов, будут также тысячи детских рисунков "Клуба будущего". Капсулу и маршевую ступень ракеты контролируемо и мягко вернут на Землю. По крайней мере, на это расчет. Справка: Blue Origin - американская частная аэрокосмическая компания. Создана в 2000 году для космического туризма основателем Amazon.com Джефри Безосом и находится на территории его ранчо, расположенном в 40 км к северу от города Ван-Хорн, округ Калберсон, штат Техас, США.

Другие интересные новости:

▪ Регуляторы напряжения с низким падением напряжения (0,4 В)

▪ Грузовой локомотив FLXdrive на аккумуляторах

▪ Лингвистические способности крыс

▪ Компакт-диск с ноготь

▪ Infineon представила самый миниатюрный GPS-приемник

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Электронные справочники. Подборка статей

▪ статья Цветовые искажения при видеосъемке. Искусство видео

▪ статья Кто изобрел бумагу? Подробный ответ

▪ статья Каштан обыкновенный. Легенды, выращивание, способы применения

▪ статья Сирена для модели. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Регулятор мощности трехфазной нагрузки. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2025