Понедельник, 21.01.2019, 01:12
Приветствую Вас Гость | Регистрация

| Вход
Главная » Статьи » Альтернативная энергия

Обзор вертикальных ветряных электрических установок (ветрогенераторов)

Мы являемся свидетелями развития науки и техники, возникновения сверхэффективных технологий и в то же время в области энергетики мы можем наблюдать парадоксальную тенденцию возвращения к древнейшей технологии использования ветряной энергии. Её использовали в Китае и на Среднем Востоке более 10 веков назад.

Этому парадоксу есть объяснение. В начале 21 века общество остро столкнулось с проблемой ограниченности ископаемых энергоресурсов. Сегодня происходит замена технических инструментов традиционной энергетики, губительно влияющей на окружающую среду, на возобновляемые экологически чистые источники энергии, в том числе ветровые.

 

 

Несмотря на то, что ветка первенства сегодня принадлежит горизонтальным ветрогенераторам, популярность вертикальных ветрогенераторов стремительно растёт. Это объясняется, в том числе тем, что учёные теоретически и экспериментально доказали, что вертикальные ВЭУ в состоянии догнать по эффективности горизонтальные.

 

 

Ретроспектива вертикальных ВЭУ

 

Вертикальные ветряки человечество использует уже очень давно. Первые документальные упоминания о вертикальных ВЭУ датированы приблизительно 500-900 годами до нашей эры. В документах описан персидский механизм. Его применяли для добычи подъема воды и помола зерна. Со временем такой ветряк получи название «panemone», т.е. вращается при любом направлении ветра.

 

Рис. 1. Первый ветряной двигатель с вертикальной осью вращения

 

Вертикальные ветряки использовались и в Ките. Его, кстати, часто упоминают, как родину вертикальных ветряков. Бытует мнение, что ветряную мельницу изобрели именно в Китае более 2000 лет назад. Но самое раннее упоминание о ней датировано 1219 годом нашей эры. Это была ветряная установка с карусельным ротором. В нём использовался принцип давления ветра, с плоскими парусными лопастями. При движении в направление ветра они разворачивались перпендикулярно потоку воздушной массы, а при движении навстречу ветру – параллельно ему.

В 9 веке н.э. в Персии в городе Нех функционировало 75 ветряных мельниц.Они были построены на возвышенности, расположенной перпендикулярно к направлению преобладающего северного ветра, действующего в этой местности в течение 4 месяцев в году со скоростью 28-47 м/с. Ветряной двигатель персидских мельниц (рисунок 2) представлял собой вертикально-осевой карусельный ротор с 8 плоскими лопастями из тростника высотой 5,5 м и диаметром 4,3 м. При скорости ветра 30 м/с его мощность составляла около 16 кВт.

 

 Рис. 2. Персидская ветряная мельница с вертикально-осевым карусельным ротором 

 

Чтобы повысить эффективность перед лопастями, движущимися навстречу ветру, был установлен экран. Он снижал тормозящий момент ротора, закрывая лопасти от ветра.  50 таких ветряных мельниц были в рабочем состоянии в 1963 году и, вероятно, эксплуатируются и сегодня. Стоит отметить, что схема изобретенного более 1000 лет назад вертикально-осевого карусельного ротора с плоскими и чашечными лопастями и сегодня применяется практически без изменений.

 

Рис. 3. Вертикально-осевая ветроэлектрическая установка Д. Блиса с карусельным ротором 

 

В наше время успешно используются ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, получившие патент на конструкцию начиная с 3-го десятилетия ХХ века:

 


2а) Ротор Савинуса. Изобретён в 1922 году финским инженером Сигурдом Йоханнесом Савониусом.
2б) Ротор Даррье. Изобретён французским авиаконструктором Жоржем Даррье в 1931 году.
2в) Ротор Масгрова. Изобретён английским доктором Масгров из Ридингского университета в 1975 году.
2г) Ротор «Виндсайт». Изобретён финном Йутсиниеми в 1979 году.
2д) Геликоидная турбина Горлова. Изобретена профессором Северо-Восточного Университета Бостона (США) Александром Горловым в 2001 году. Турбину с небольшими отличиями повторяют турбины ветряных электроустановок “Tvister”, “Turby”, “Quitrevolution” и др.

 

Принцип работы

 

В современных ветряных электроустановках энергия преобразуется в 2 этапа:
1. Кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую.
2. Механическая энергия преобразуется в электрическую.

Чтобы энергия ветра превращалась в механическую используют аэромеханические устройства или ветродвигатели. За границей их называют ветряными турбинами.
Ветряной двигатель берёт у движущегося с определённой скоростью воздушного потока часть его кинетической энергии. Величина кинетической энергии зависит от принципа работы установки, габаритов движущейся части и режима работы.

Есть 2 основных способа отбора мощности ветра. На них базируется работа современных ветряных двигателей.
Первый способ использует феномен подъемной силы крыла, которое имеет соответствующий аэродинамический профиль и находящегося в движущем потоке воздуха. Проще говоря – это ветродвигатели подъёмной силы.
Второй способ базируется на дифференциальном (неодинаковом) лобовом сопротивлении твердого тела асимметричной формы, при его различной ориентации относительно направления ветра. Это ветродвигатели дифференциального лобового сопротивления.
Есть конструкции, сочетающие оба способа в разном процентном соотношении.

Чтобы проводить сравнительную оценку технических решений, в ветровой энергетике выработаны критерии, которые характеризуют энергоэффективность конструкции и режим работы:
1. Коэффициент использования ветряной энергии – отношение механической мощности, которую развивают ветряные двигатели, к механической мощности воздушного потока, протекающиго через пространство, ометаемое рабочими поверхностями ветродвигателя. В зарубежной ветряной энергетике данный коэффициент обозначают Cp (СиПи фактор). Теоретики доказали, что для идеального ветряного двигателя, в котором не учитываются потери, величина СиПи фактора не может превышать 0,593. Это число называли лимитом Бетца. По определению является безразмерной.
2. Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости самой удалённой оси вращения ветряного двигателя точки крыла (определяется радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра, принято обозначать символом U. Быстроходность по определению величина безразмерная. Считается, что ветряной двигатель тихоходный, если U<2, и быстроходный, если U=4.
Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения «подъёмной силы»

 


Рис. 5. Работа конструкции подъемной силы крыла

 

На рисунке 5 проиллюстрированы: устройство простейшего ортогонального ветряного двигателя, треугольники скоростей и силы, действующие на лопасть в зависимости от её положения относительно направления ветра. Где:
U – скорость ветра;
V – тангенциальная скорость перемещения лопасти;
W – суммарная («кажущаяся») скорость воздушного потока, взаимодействующего с лопастью;
– угол атаки;
Т – сила, которая создаёт крутящий момент;
N – сила, приложенная к траверсе, соединяющей лопасть с валом установки;
L – подъёмная сила лопасти;
D – сила лобового сопротивления лопасти.

Ветряной двигатель такой конструкции имеет пульсирующий крутящий момент и для ввода при некотором значении быстроходности в режиме авторотации чаще всего требует раскрутки внешним двигателем.
Увеличение количества лопастей до 3-х и их закрутке вокруг оси ротора (геликоидный ротор), СиПи фактор увеличивает от 0,3 до 0,4. Крутящий момент становится постоянным независимо от положения лопастей относительно направления ветра, достаточно регулярно наблюдается самозапуск на холодном ходу при скоростях ветра 3 метра за секунду и выше. Оптимальный режим работы данных ветряных двигателей (максимальное значение Cp) достигается при значении от 4 до 5 единиц. Увеличение количества лопастей ротора больше 5, как правило, снижает быстроходность и уменьшает Cp.

 

Рис. 6. Многообразие конструкций современных вертикальных ветродвигателей, использующих

для создания крутящего момента подъёмную силу крыла

 

Отметим, что вращение турбин приведенных конструкций наблюдается при любом направлении ветра. Т.е. необходимость в устройствах ориентации и дополнительных трансмиссиях, снижающих уровень надежности,полностью отпадает. Это одно из основных преимуществ установок такого типа при сравнении с ветряными электроустановками с горизонтальной осью вращения.
Продолжают появляться новые схемы ветряных электроустановок с горизонтальной осью вращения, в том числе установка с «качающимся крылом», в котором углы атаки крыльев в зависимости от направления ветра изменяются при помощи несложной кинематики. Принцип действия проиллюстрирован на рисунке ниже. Наличие вспомогательных механизмов, с дополнительными потерями на трение, которые к тому же требуют периодического осмотра и ремонта, нейтрализует эффект, получаемый от оптимизации углов атаки крыльев, расположенных в набегающем воздушном потоке. Такие установки производят небольшими сериями.

 

Рис. 7. Пример конструкции ветряной турбины с вертикальной осью вращения с наведением на ветер

 

Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения
«дифференциального лобового сопротивления»

 

Первые ветряные двигатели с вертикальной осью вращения работали, используя данный принцип. Он заключается в том, что твердое тело асимметричной формы (пример, полусфера) при различной ориентации в потоке воздуха (жидкости), имеющего постоянную скорость V, взаимодействуют с потоком с различными усилиями FЛС1 и FЛС2, соответственно. Давление ветра на полусферу, ориентированную к нему вогнутой частью, более чем в 4 раза превышает давление на ту же полусферу, ориентированную к ветру выпуклой частью. При этом площадь сечения тел одинакова. Если полусферы закрепитель на траверсе с 2-х сторон симметрично относительно оси вращения, то при взаимодействии с движущейся воздушной массой появляется крутящий момент, и устройство будет вращаться с некоторой частотой w.

 

Рис. 8. Принцип работы ветряного двигателя «дифференциального лобового сопротивления»

 

Величина крутящего момента зависит от разницы усилий, воздействующего тела, расположенные по разные стороны от оси вращения, а эти усилия определяются скоростью ветра, размерами тел (площадью лобового сечения) и коэффициентом лобового сопротивления.
Среди ветряных двигателей, действующих по принципу дифференциального лобового сопротивления, наиболее известны ротор Савониуса и его модификация – ротор Виндсайт. Машины просто устроены, работают даже в условиях очень низких скоростях ветра, но обладают невысоким Cp. Максимальное значение СиПи фактора для ротора Савониуса, приведенное в источниках, равно 0,25. Номинальная быстроходность этих турбин, как правило, меньше единицы, и у них относительно высокий пусковой момент.

 

Рис. 9. Разнообразие конструкций ветряных двигателей дифференциального лобового сопротивления

 

Комбинированные ветряные двигатели с вертикальной осью вращения


Выше описанные две основные группы вертикальных ветряных двигателей, которые выпускаются серийно. Но кроме них есть установки, совмещающие в себе оба принципа действия.

 

Рис. 10. Конструкции ветряных двигателей, использующих комбинацию феноменов подъемной силы крыла и дифференциального лобового сопротивления

 

В установках, изображённых на рисунках а), б) и г), в зависимости от положения каждой лопасти относительно направления ветра проявляются или эффект подъёмной силы, или эффект дифференциального аэродинамического сопротивления. В установке, показанной на рисунке в), ротор Савониуса используется для раскрутки ротора Даррье до необходимой быстроходности.

 

Рис. 11. Установки с вертикальной осью «циклоидного» типа с наведением на ветер
а) – ветряная электроустановка, построенная марокканскими студентами в 1995 году;
б) - ветряная электроустановка, серийно выпускаемые китайскими производителями в 2010 году

 

В устройствах, показанных на рисунке 11, система ориентации на ветер постоянно обеспечивает максимальное лобовое сопротивление лопасти, движущейся по ветру, и минимальное лобовое сопротивление лопасти, движущейся против ветра. В промежуточных положениях работает подъёмная сила крыла. Для правильной ориентации лопастей они связаны между собой либо трансмиссией с зубчатым ремнём, либо трансмиссией с зубчатыми колёсами. Устройство с трансмиссией, использующей конические зубчатые колёса, было реализовано в 1995 году (рисунок а). Позже в 2000 году детальному исследованию в аэродинамической трубе была подвержена масштабная модель аналогичного по принципу действия двухлопастного устройства. Результаты исследования показали, что СиПи фактор системы не превышает 0,2. После этого опыты с данной конструкцией прекратили. Однако китайские производители ветрогенераторов (рисунок б) в настоящее время выпускают аналогичные установки мощностью 3,5-10 кВт при скоростях ветра 9,10 или 10 м/с, соответственно.

 

Энергохарактеристики

 

Основные свойства ветряных двигателей полностью описывает зависимость Cp = f (1). Её называют главной энергетической характеристикой ветряного двигателя. На рисунке _ приведены главные энергетические характеристики ряда распространенных ветряных двигателей.
Ветроэнергетики хорошо знают, что Сp£0,593, что было теоретически доказано российскими учеными (Сабинин и др.) ещё в 1914 году, но за границей доказательство было опубликовано в 1924 году немецким физиком Бетцем, и поэтому величина 0,593 называется «предел Бетца».

 

Рис. 12. Главные энергохарактерстики наиболее распространённых ветряных двигателей

 

Рисунок 12 очень хорошо показывает, что вертикальных ветряных турбин, которые используют подъёмную силу крыла, имеют Cp по величине, очень близкий к показателю быстроходных малолопастных ветроколёс с горизонтальной осью вращения. Это обстоятельство наряду с относительной конструкции и отсутствием необходимости наведения на ветер, является причиной современного возрождения интереса к вертикальным ветряным двигателям.

 


Рисунок 13. Пример представления технических характеристик на сайте производителя (Китай)

 

Не менее важной характеристикой вертикального ветродвигателя (и горизонтального), является кривая развиваемой мощности, представляющая собой зависимость выходной электрической мощности установки от скорости ветра. Серьёзные производители ветрогенераторов обязательно приводят такую кривую в технических характеристиках своей продукции, так как говорить о мощности установки в отрыве от скорости ветра не имеет смысла. При наличии статистики по частотам повторяемости скорости ветра для интересующей нас местности кривая развиваемой мощности позволяет произвести довольно точный расчёт выработки электрической энергии.

 

Рисунок 14. Примеры кривых выходной мощности двух вертикальных ветряных энергоустановок

 

Тенденции развития вертикальных ветрогенераторов

 

Современная волна интереса к вертикальным ветряным энергоустановкам объясняется следующими причинами:
1. Практически исчерпаны концептуальные и технические резервы развития горизонтальных ветрогенераторов. При современном развитии технологий уже невозможно строить более крупные установки.
2. Относительно высокие энергетические характеристики отдельных вертикальных ветряных энергоустановок при значительно простой конструкции, которая не требует в большинстве случаев наведения на ветер.
3. Относительно низкий уровень шумов и вибраций.

Отметим некоторые тенденции в области проектирования, производства и эксплуатации вертикальных ветрогенераторов. Широко используется компьютерное моделирование. Успехи в развитии современных математических методов и программных средств, дают возможность производить достаточно точные проектные расчёты при наличии существенно турбулентных процессов, имеющих место при работе ветряных электроустановок данного типа. На рисунке 15 приведены характерные формы представления результатов применения программных средств, реализующих метод конечных элементов для расчёта поля скоростей воздушного потока, проходящего через сечение ротора вертикальной ветроустановки. Именно благодаря компьютерному моделированию рассматриваемая область ветряной энергетики получила мощный толчок развития.

 

Рисунок 15. Типичное представление результатов аэродинамического расчёта
методом конечных элементов

 

Постоянное совершенствование конструкций вертикальных ветряных электроустановок и использование новых конфигураций лопастей в области вертикальных ветряных электроустановок спровоцировало тенденцию введения механизации крыла. В случае, если в установке применяется прямое крыло, имеется возможность реализовать комбинацию Савониус-Даррье для работы в различных режимах:

 

Рисунок 16. Вариант механизации крыла вертикальных ветряных электроустановок

 

Разделение ветряных электроустановок с вертикальной осью вращения на 2 группы по соотношению высоты ротора к диаметру. Анализ существующих конструкций вертикальных ветрогенераторов показывает, что с увеличением установленной мощности наблюдается тенденция к увеличению диаметра ротора при одновременном снижении частоты его вращения. Чем больше размеры ротора, тем сложнее осуществить его аэродинамическую симметрию и балансировку, что на высоких частотах вращения чревато возникновением значительных вибраций, которые могут привести к разрушению конструкции. На рисунке 17 приведены наиболее часто встречающиеся пропорции вертикальные ветряные электроустановки, в сравнении с горизонтальными установками.

 

Рисунка 17. Пропорции вертикальных ветряных электроустановок

 

Строительство оффшорных ветропарков на базе вертикальных ветрогенераторов. Важнейшей тенденцией наблюдаемой в современной ветроэнергетике, является строительство ветряных парков на континентальном шельфе. Строительство ветропарка вообще выгоднее, чем строительство отдельной ветряной электростанции. Оффшорные парки позволяют решить более широкий круг проблем, в частности требования по шумам и вибрациям сводятся до минимума, а стробоскопический эффект вообще не учитывается. Плюс к тому в береговой зоне, как правило, наблюдаются устойчивые ветры с достаточными скоростями. До недавнего времени в оффшорных ветряных парках применялись исключительно горизонтальные ВЭУ. Недавно в Интернете опубликована информация о предстоящем строительстве объекта установленной мощностью 10 МВт на базе вертикальных ветрогенераторов.
Мощное ускорение китайских производителей. Ещё 3-4 года назад найти рекламу китайского предприятия по производству ВЭУ в Интернете было практически невозможно. Сегодня на первых 30 страницах поиска по теме вертикальных ветрогенераторов среди китайских производителей иногда проскакивают американские и европейские.
Характерная черта китайской ветряной энергетики – это, то, что в производство запускается любое устройство, способное производить электроэнергию из ветряной энергии независимо от принципа действия и величины Cp. Цены на китайскую продукцию значительно ниже, но и качество пока оставляет желать лучшего. Однако всем нам известен объективный закон перехода количества в качество, согласно которому в ближайшие годы следует ожидать появления нового мирового лидера в области ветряной энергетики. Как упоминалось выше, уже сегодня Китай вышел на втрое место в мире по установленной мощности ветрогенераторов.
Научно-исследовательская лаборатория технологий энергетики возобновляемых источников Международного института компьютерных технологий (г. Воронеж) и Воронежский государственный технический университет в течении ряда лет проводят исследования в области вертикальных ветряных электроустановок. Учёные произвели продувки масштабных моделей роторов. В результате проведённых исследований была разработана перспективная конструкция вертикального ветрогенератора. Демонстрационный масштабный образец сейчас находится на стадии изготовления.

 


Рисунок 18. Разновидности исследованных моделей роторов

 

Рабочая установка имеет оригинальную конструкцию лопасти из композитного материала, магнитный подвес ротора и многополюсный генератор прямого привода с возбуждением от постоянных магнитов. Преобразование энергии осуществляется по следующей схеме:

 

Ветряная турбина → синхронный генератор → регулируемый выпрямитель → буферный накопитель энергии →инвертор → потребители/сеть

.
Данная схема сегодня считается самой перспективной.


Приемлемый коэффициент полезного действия устройства обеспечен регулировкой нагрузки в зависимости от скорости ветра/крутящего момента и использованием пассивного магнитного подвеса. Рисунок ниже иллюстрирует полуфабрикаты лопастей модели ротора и 3Д-проекцию демонстрационного макета.

 

Рисунок 19. Перспективная схема конструкции вертикального ветрогенератора
а) – заготовка лопасти
б) – модель вертикального ветрогенератора в работе
в) – демонстрационный образец мощностью 1,5 кВт

 

Для дальнейшего увеличения мощности вертикальных ветряных электроустановок потребуется или специальные генератор, или же мультипликаторы.

 

 

Резюме

 

Сегодня в приоритете в развитии энерготехнологий нетрадиционная экологичная энергетика, которая использует возобновляемые источники энергии, в том числе и ветроэнергетика.

Вертикальные ветрогенераторы можно отнести к новым направлениям ветроэнергетики, поскольку их развитие начинается с 1970-х годов. Горизонтальные ветряные электроустановки имеют многовековую историю. Это также объясняет высокий технический уровень горизонтальных ветрогенераторов.

Период развития вертикальных ВЭУ составляет около 50 лет. За это время учёные провели огромный объём теоретических основополагающих исследований принципиально новых вопросов аэродинамики, прочности и динамики ротора Дарье, инженерных работ, решающих конструктивные проблемы, которые связаны с повышенной массивностью, инерционностью и циклической нагрузкой вращающихся узлов. Благодаря проделанной работы учёные получили опыт разработки, отработки и использования, вертикальных ветрогенераторов, и что очень важно эффективность и надёжность вертикальных ВЭУ догоняет уровень горизонтальных ВЭУ.

В настоящее время вертикальные роторы Савониуса и Даррье различных модификаций используют лишь в небольших ветряных электроустановках.

Часть вертикальных ветрогенераторов на мировом рынке составляет 35%. Это установки мощностью до 50 кВт. Вертикальных ветрогенераторов мощностью более 100 кВт на рынке практически нет.

Категория: Альтернативная энергия | Добавил: tshmorgay (24.02.2017)
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа
Подкатегории
Альтернативная энергия [59]
Энергосбережение [33]
Экология [7]
Корзина
Ваша корзина пуста
Поиск










Форма входа
Подкатегории
Альтернативная энергия [59]
Энергосбережение [33]
Экология [7]
Корзина
Ваша корзина пуста
Поиск