Классификация

  1. По мощности
  2. По конструкции:
    1. ВЭУ с горизонтальной осью вращения
    2. ВЭУ с вертикальной осью вращения
  3. По местоположению
  1. По мощности
    Класс установки Мощность, кВт Диаметр, м Количество лопастей Назначение
    Малой мощности 15-50 3-10 3-2 Заряд аккумуляторов, бытовые потребности
    Средней мощности 100-600 25-44 3-2 Энергетика
    Большой мощности 1000-4000 >45 2 Энергетика

    Мощность ветрового потока Р, проходящая через поперечное сечение площадью F, равна произведению этой площади на скорость потока V и кинетическую энергию единицы объема потока , т.е.

    Мощность, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения потока, т.е. удельная мощность ветра, поэтому равна:

    Ниже приведены соответствующие графики зависимости:

    Рис. 3.1

    Рис 3.1 Зависимость удельной мощности ветра Руд от его скорости V и высоты над уровнем моря h.

    Рис. 3.2

    Рис 3.2 Зависимость мощности ветрового потока Р от сечения потока F и скорости ветра V.

    При проектировании конструктор определяет характер ожидаемой и получаемой мощности (рис. 3.3).

    Искусство оптимизации заключается в том, чтобы найти удельную мощность, которая дает самый экономичный энергодоход (площадь под кривой диаграммы время/мощность). При необходимости получения максимального количества энергии стремятся достигнуть большей площади под диаграммой время/мощность.

      Существуют рекомендации:
    • маловетреные области w = 30 до 60 Вт/м2, max. 100 Вт/м2
    • наветренные области w = 100 до 300 Вт/м2, max. 500 Вт/м2

    Рис 3.3 «Концепция работы ветроэнергоустановки: А. Стабильная мощность; Б. Максимум энергии».

    При расчёте мощности ветроустановок используют формулу, учитывающую потери при преобразовании энергии потока ветра:

    где ksi - КИЭВ, обычно 0.4-0.45, R – радиус ротора, p - плотность воздуха (1,25 кг/м3), V – скорость ветра, nu ред – КПД редуктора (обычно 0,9-0,95), nu ген – КПД генератора – (обычно 0,7-0,9).

  2. По конструкции

      Существует множество классификаций ветрогенераторов по конструкции, основными из них являются:
    • по положению оси вращения:
      • с горизонтальной осью;
      • с вертикальной осью.

      Подавляющее большинство современных ветрогенераторов имеют горизонтальную ось вращения.

        Основными преимуществами установок данного типа являются:
      1. высокий КПД в сравнении с другими видами роторов( в 3 раза больше, чем у ротора Савониуса);
      2. высокие массо-габаритные показатели;
      3. простота регулирования мощности и осуществления буревой защиты.

      Среди ветрогенераторов с вертикальной осью вращения нашли применение ветроустановки с ротором Дарье и с ротором Савониуса.

    • по виду силы (возникающей под действием набегающего потока):
      • подъемная сила;
      • напор.
    • по быстроходности установки:
      • тихоходные;
      • быстроходные.

    Далее на рисунке представлены возможные варианты установок, использующих энергию ветра.

    Из большого разнообразия ветроустановок широкое распространение получили ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения (мировая доля производства составляет более 95%) и маломощные (менее 1кВт) ВЭУ с вертикальной осью вращения, которые нашли применение благодаря малому шуму, простоте конструкции и отсутствию необходимости ориентации ротора на ветер.

    3. По виду ротора:
    1. С горизонтальной осью вращения
        2. Рассмотрим данный тип ветроустановок:
      1. Положение ротора:

        Подветренное положение ротора, или положение за башней обеспечивает устойчивое, стабильное состояние. Если ротор находится перед башней, в наветренном положении, то такая позиция неустойчива - ротор в наветренном положении вращается в невозмущенном потоке. Если бы пропеллер мог свободно вращаться вокруг вертикальной оси, то он бы пропутешествовал на подветренную сторону при малейшем возмущении, он хочет плавать вместе с потоком.

        У всех установок с горизонтальной осью имеется устройство установки по направлению ветра независимо, с какой стороны мачты вращается ротор, также должно быть предусмотрено демпфирование слежения за ветром, чтобы ротор поворачивался только при длительных изменениях направления ветра. На свободу выбора конструктора будет оказывать влияние запланированная форма мачты, а именно с какой стороны мачты расположен ротор. Самая дешевая мачта или башня - это решетчатая мачта (шуховсая башня). Однако она при подветренной позиции ротора полностью “гасит” поток ветра. Лопасть, проходящая через тень башни, освобождается от всех сил ветра и тем самым подвергается ненормальной разгрузке. Это крайне вредно с точки зрения долговечности конструкции. Мачта, сделанная из трубы, едва ли имеет проблемы с тенью, еще меньше проблем будет в сегодняшних свободнонесущих трубчатых конструкциях. Эти мачты хотя и дороги, но они “приятны глазу”, и соблюдают эстетические условия.

        Рекомендация:

        Для установок с горизонтальной осью ротору следует вращаться перед башней в невозмущенном потоке.

        Источник.

      2. Геометрия ротора и материалы для его изготовления

          Для улучшения аэродинамики и повышения прочности лопасти ротора желательно придерживаться следующих требований:
        • использовать профиль (обычно авиационный) с высоким аэродинамическим качеством (отношение подъемной силы профиля к силе лобового сопротивления);
        • присутствие сужения лопасти (отношение ширины лопасти у основания к ширине лопасти на конце), которое может составлять от 2 до 6;
        • присутствие крутки лопасти – изменение угла установки ее профиля (угол между плоскостью вращения и хордой профиля) по длине в соответствии с определенным законом (количественно крутка выражается разностью между углом установки профиля лопасти у основания и на конце и может составлять 10-20 град);
        • для увеличения прочности лопасть может иметь переменную по длине относительную толщину профиля (отношение толщины профиля к его хорде), при этом данная толщина увеличивается к основанию (к примеру, от 0,2 до 0,1).

        Для упрощения технологии изготовления лопастей их геометрия может быть изменена. В частности, возможно отсутствие крутки и сужения. Упрощение формы снижает мощность ВЭУ на 5-10%.

          В настоящее время лопасти изготавливаются из следующих материалов:
        • алюминий;
        • дерево (фанера);
        • стеклопластик (углепластик).

          Стеклопластиковые лопасти более эффективны благодаря следующим преимуществам:
        • материал обладает высокой удельной и усталостной прочностью;
        • технология материала позволяет получать лопасти с любой геометрией;
        • производство стеклопластиковых лопастей не требует высокотехнологического оборудования и может быть освоено без значительных капитальных вложений.

        Рекомендация:

        Рекомендуется использовать ламинаризированные профили, отличающиеся изгибом внутрь профиля на нижней поверхности.

        Для быстроходных ветрогенераторов необходимо применять высококачественные профили, особенно ламинарные профили(например, FX 63-127 или NACA 642-415). При ограниченных возможностях технологии изготовления лопастей подходят профили с прямой нижней поверхностью (например NACA 4415 или Clark Y).
      3. Система ориентации на направление ветра
          Существуют следующие системы ориентации на направление ветра:
        • Флюгер. Используется для ВЭУ мощностью до 50кВт. Отличается простотой и надежностью, но не может ограничить угловую скорость разворота головки.
        • Виндрозный механизм. Состоит из 1 или 2-х ветровых колес, которые через червячный редуктор ориентируют головку. По сравнению с флюгером, требует обслуживания, но обеспечивает малую скорость разворота. Ограничено используется на ВЭУ мощностью от 10 до 250кВт.
        • Электромеханическая система ориентации. Ориентацию осуществляет электропривод по команде от датчика направления ветра. Используется на ВЭУ мощностью более 50кВт.

        Необходимость ограничения угловой скорости разворота головки связано с тем, что с ростом скорости разворота растут нагрузки на лопасти и главный вал. При использовании флюгера приходиться усиливать конструкцию лопастей и главного вала.

      4. Системы регулирования частоты вращения ротора и буревые защиты

          Существуют следующие системы регулирования и ограничения мощности:
        • Центробежно-пружинное регулирование. Регулирование осуществляется за счет изменения угла установки лопастей под воздействием центробежных сил. Обеспечивает регулирование частоты вращения ротора в пределах 5-10%. Используется для автономных ВЭУ мощностью от 5 до 50кВт. Для обеспечения буревой защиты лопасти могут выводиться автоматически во флюгерное положение (угол установки близок к 90 град) при скорости ветра более 25-30м/с.
        • Увод ротора в косой поток. Регулирование осуществляться за счет изменения угла косого потока (угла между нормалью к плоскости ротора и направлением ветра). Точность подержания частоты вращения мала – 20-30%. Используется для автономных ВЭУ мощностью до 10кВт, предназначенных для заряда АКБ. При работе ВЭУ на выпрямитель не требуется стабильная частота электрического тока, а, следовательно, и стабилизация частоты вращения ротора. Данная система регулирования обеспечивает автоматически буревую защиту, так как при скорости ветра 25-30м/с угол косого потока ротора близок к 90 град, при этом мощность и частота вращения даже меньше, чем в номинальном режиме. Основное преимущество данной системы - простота и надежность, так как используются неповоротные лопасти.
        • Активное регулирование. Регулирование осуществляется за счет изменения угла установки лопастей электрическим или гидравлическим приводом по команде от автоматической системы управления. Используется для ВЭУ мощностью более 50кВт. Для обеспечения буревой защиты лопасти выводятся автоматически во флюгер (угол установки близок к 90 град) при скорости ветра более 25-30м/с.

        Рекомендации:

        Наиболее часто используются способ увода ротора в косой поток, так как это наиболее простой и надёжный метод, не требующий сильного усложнения конструкции.

      5. Системы торможения ветрогенератора ВЭУ

          Существуют следующие системы остановки ветроустановок (данные системы могут быть дополнены фрикционными тормозными устройствами главного вала):
        • Вывод лопастей во флюгерное положение. Такая система применяется для установки с поворотными лопастями.
        • Поворот флюгера на 90 град. Используется для ветрогенераторов с неповоротными лопастями.
        • Короткое замыкание генератора. Применяется для ветроустановок с генератором на постоянных магнитах..
        • Вывод лопастей на отрицательные углы установки позволяет остановить вращение ротора ВЭУ. Данная система может быть применима для ВЭУ с поворотными лопастями.

      6. Мачта и башня

          Мачта ВЭУ раскрепляется растяжками. Башня растяжек не имеет. Преимущества мачты по сравнению с башней:
        • небольшая масса и стоимость благодаря небольшим нагрузкам на конструкцию мачты и фундамент;
        • возможность использования гравитационного фундамента, состоящего из стандартных бетонных блоков;
        • использование модульной конструкции. Возможность, изменять высоту мачты при изменении количества секций и ярусов растяжек.

          Недостатки мачты по сравнению с башней:
        • необходимо регулировать растяжки в процессе эксплуатации, так как со временем растяжки вытягиваются;
        • мачта с растяжками занимает достаточно большое пространство, так как для снижения нагрузки на фундамент опоры растяжек разнесены на значительное расстояние от мачты;
        • мачта с растяжками выглядит менее эстетично.

      7. Количество лопастей пропеллера

        Теоретически, каждая новая лопасть увеличивает мощность, но не пропорционально, т.е. двухлопастной пропеллер по сравнению с однолопастным пропеллером не даст удвоение мощности.

        При высокой быстроходности влияние трения становится все больше. Наибольшую мощность достигают увеличением аэродинамического качества профиля К, а не увеличением числа лопастей (рис 3.4, где КИЭВ – Коэффициент Использования Энергии Ветра, быстроходность - это отношение окружной скорости к скорости ветра).


        Рис 3.4 Диаграммы зависимостей быстроходность/КИЭВ/число лопастей.

        При малом коэффициенте быстроходности, как например, в многолопастных ветряках, каждая дополнительная простая лопасть из железа увеличивает значение мощности. Много лопастей дают тихоходному пропеллеру высокий стартовый момент, что необходимо для водяных насосов. Быстроходный пропеллер с несколькими лопастями имеет проблемы при старте из-за невысокого стартового момента. В этом случае качество “страгивания” можно улучшить принудительной системой поворота лопастей.

        Увеличение количества лопастей дает наряду с повышением мощности сравнительное смягчение работы.

        Стоимость ротора составляет порядка 40% всей системы, поэтому при больших размерах установки возникает вопрос о рациональности применения 2 или 3 лопастей.

        Рекомендация:

        Установки диаметром до 60 метров имеют 3 лопасти, свыше 60 метров в диаметре - 2 лопасти.

      Примечание:

      Для более глубокого изучения вопроса работы ВЭУ с горизонтальной осью вращения, вы можете пройти по ссылке, где сможете ознакомиться с результатом компьютерного моделирования обтекания ветроустановки, осуществлённого с помощью программы ANSYS.

    2. С вертикальной осью вращения

      В данном пункте рассмотрим два наиболее распространенных типа ротора: ротор Дарье и ротор Савониуса.

      1. Ротор Савониуса (см. рис 3.5). Колесо вращается силой сопротивления. Его лопасти выполнены из тонких изогнутых листов прямоугольной формы, т. е. отличаются простотой и низкой стоимостью. Вращающий момент создается благодаря различному сопротивлению, оказываемому воздушному потоку вогнутой и выгнутой относительно него лопастями ротора. Из-за большого геометрического заполнения это ветроколесо обладает большим крутящим моментом;

        (Источник: http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/n/NASA/Education/NiVIE/Tab/p3.pdf)


        Рис. 3.5 Схема ротора Савониуса

      2. Ротор Дарье (см. рис 3.6). Вращающий момент создается подъемной силой, возникающей на двух или трех тонких изогнутых несущих поверхностях, имеющих аэродинамический профиль. Подъемная сила максимальна в тот момент, когда лопасть с большой скоростью пересекает набегающий воздушный поток. Ротор Дарье используется в ветроэлектрогенераторах. Раскручиваться самостоятельно ротор, как правило, не может, поэтому для его запуска обычно используется генератор, работающий в режиме двигателя;


        Рис. 3.6 Схема ротора Дарье

        Мощность ротора Дарье определяется по формуле:

        ,
        где D - диаметр и H – высота ротора.

        (Источник: http://www.heuristic.su/effects/catalog/tech/byId/description/804/index.html)

      3. Ротор Масгрува (см. рис 3.7). Лопасти этого ветроколеса в рабочем состоянии расположены вертикально, но имеют возможность вращаться или складываться вокруг горизонтальной оси при отключении.


        Рис. 3.7 Схема ротора Масгрува

        (Источник: http://portal.tpu.ru:7777/SHARED/n/NASA/Education/NiVIE/Tab/p3.pdf)

      Все типы данных роторов не применимы при сильном ветре.

      1. Положение ротора.

        Главной особенностью ветроустановок с вертикальной осью вращения является отсутствие системы ориентации направления на ветер.

          Преимущества таких ветрогенераторов:
        1. возможность использования в областях с малыми ветряными потоками;
        2. использование вертикальных роторов как маломощных установок;
        3. лёгкость и эргономичность конструкции.

      2. Геометрия ротора и материалы для его изготовления

        Крылья ротора Дарье должны быть изготовлены с таким же требованием качества, как и крылья современных планеров. Их изготовление – сложная и трудоемкая задача. Идентичность и симметричность расположения крыльев играют важную роль в функционировании ротора.

        (за более подробной информацией можете обратиться по данной ссылке: http://snim.flybb.ru/topic139-30.html, где приведены примеры работы и некоторые аспекты сложности изготовления, роторов такого типа).

      3. Системы регулирования частоты вращения ротора и буревые защиты

        Большим недостатком таких роторов является отсутствие надежной буревой защиты и системы экстренного торможения.

        Остановленный ветрогенератор пропеллерного типа оказывает малое сопротивление потоку ветра, поэтому при буре давление ветра на него невелико.

      4. Мачта и башня

        При работе ветроустановки с вертикальной осью вращения возникают огромные ударные нагрузки на стойку (в случае с мачтой существует вероятность того, что произойдет вылет закрепляющего установку анкера из земли). Они возникают в момент пересечения крылом ветрового потока на большой скорости (при таких скоростях воздух, принято считать «твёрдым»), то есть на том участке, где происходит отбор мощности от ветра. Такой ротор требует в несколько раз большей прочности, а значит и дорогостоящей мачты. Необходимо обратить внимание и на другие узлы данной ветроустановки: центральная ступица, траверсы, на которых крепятся крылья (аэродинамической формы). Для ветрогенератора Дарье с тремя крыльями требуется девять траверс: по три на каждое крыло. На двух крепятся крылья, а третья установлена по диагонали. Большое количество требуемых крыльев высокого качества приводит к существенному увеличение стоимости ВЭУ.

        Примечание:

        Один из главных недостатков ротора Дарье можно заметить, обратив внимание на восходящую ветвь характеристики КИЭВ - быстроходность (рис 3.8), она почти вертикальна до точки номинальной быстроходности. Это значит, что ротор имеет малую мощность при разгоне, т.е. при разгоне к нему не должно быть ничего подключено. Таким образом, требуется наличие муфты, отключающей генератор при разгоне, что увеличивает стоимость ВЭУ и снижает её надёжность.


        Рис. 3.8 Диаграмма КИЭВ различных установок.

  4. По местоположению
    1. Рекомендации по выбору местоположения ВЭУ

      Требования к местам установки ВЭУ:

      • большая среднегодовая скорость ветра;
      • отсутствие высоких препятствий с подветренной стороны на расстоянии, которое определяется высотой препятствия (плоская вершина, выравнивающая возвышенность (с отлогими склонами) на плоской равнине или островах озер или морей, открытые равнины или побережье, горное ущелье, образующее туннель).

        Можно привести следующие общие рекомендации по выбору места:
      • ось ветрогенератора располагать на 10 м выше любых препятствий в радиусе 100 м;
      • предпочтительными местами расположения ветроустановок являются открытые пространства, особенно на берегах больших водоемов;
      • в холмистой местности ветрогенератор следует располагать на наветренной стороне пологой возвышенности (если известно доминирующее направление ветра);
      • в горной местности следует располагать в проходах, на пологих безлесных склонах, по возможности, на меньшей высоте над уровнем моря, вдали от обрывов и других резких изменений рельефа.

      Мощность ветрогенератора пропорциональна кубу скорости ветра. Это означает, что на территории, где предполагается установить ВЭУ следует определить местность с наибольшей скоростью ветра. Выбор места достаточно просто сделать для равнины, более сложно в случае гористой или холмистой местности.

        Факторы, учитывающиеся при выборе места:
      1. Торможение у земли. Скорость ветра уменьшается вблизи земли и этот эффект усиливается, если поверхность более шероховатая.
      2. Турбуленция. Возникает позади зданий, деревьев, гребней и т.д.
      3. Орфография местности. Ускорение потока на вершинах холмов, гребней и т.д.
      4. Взаимное влияние ВЭУ.
    2. Учёт эффекта торможения воздушного потока у земли

      Растительность, здания и земля вызывают торможение ветра около земли и, наоборот, скорость ветра увеличивается с увеличением высоты. Степень увеличения скорости ветра с высотой сильно зависит от шероховатости подстилающей поверхности. Для различных типов поверхности высота шероховатости Z0 может быть определена как высота, на которой скорость ветра равна 0.

      Тип поверхности Характеристика Z0, м
      Ровная Пляж, лед, снежные пейзажи 0,005
      Открытая Низкая трава, аэропорты, убранные поля 0,03
      Шероховатая/th> Поля с высокими культурами, деревья, леса, сады 0,025
      Очень шероховатая Леса, сады 0.5
      Закрытые Деревни, окрестности городов 1
      Города Центры городов, открытые поверхности в лесах 2

      Эти значения шероховатостей можно использовать в формуле, отражающую логарифмическую зависимость скорости ветра от высоты:

      Формула может быть использована для территорий, где нет больших холмов или других больших препятствий на расстоянии от 1 до 2км от ВЭУ.

    3. Турбулентность потока

      Турбулентность - это порывы и завихрения, которые создаются неровностями местности, различными препятствиями, например, зданиями. Она уменьшает выработку энергии ВЭУ и вызывает нежелательные вибрации конструкции, которые уменьшают срок службы ВЭУ. Мачты ВЭУ должны быть достаточно высокими, чтобы избежать таких возмущений на уровне земли.

      Препятствия (здания, деревья, скальные образования) могут значительно уменьшить скорость ветра и часто вызывают в непосредственной близости турбулентность. Зона турбулентности может простираться на расстояние, равное тройной высоте препятствия и более выражена позади него, чем перед ним.

      Уменьшение скорости ветра, вызываемое препятствием, зависит от его «пористости». Здания не имеют пористости, но деревья зимой, когда они сбрасывают листву, позволяет им пропустить более половины потока ветра. Уменьшение скорости ветра называется «ветровой тенью». Затенение может простираться на расстояние, равное пятикратной высоте препятствия. Можно рассчитать эффект ветровой тени как процент от полной ожидаемой скорости ветра на определенном расстоянии от объекта. Если предполагаемое место установки турбины находится на расстоянии меньшем пятикратной высоты препятствия, эффективность ее использования становится мало предсказуемой.

      Область турбуленции позади невысокого здания показана на рис. 3.9.


      Рис. 3.9. Область турбуленции позади здания

      Аналогичная ситуация возникает вблизи лесозащитных полос: турбуленция ощущается c подветренной стороны на дистанции в 10-15 раз большей, чем высота деревьев. Ее область распространяется на наветренную сторону на дистанцию в пять раз большую, чем высота препятствия.

      Определить турбуленцию и высоту на которую она распространяется можно при помощи ленты длинной 1м привязанной к длинному шесту или воздушному змею. Интенсивность вибрации ленты показывают ее интенсивность.

    4. Орография местности

      Существуют две особенности влияния рельефа на ветер. Первая – это сжатие воздуха, которое происходит в естественных туннелях, образуемых ландшафтом, например, в узких горных проходах. Оно увеличивает скорость ветра и может давать преимущество при установке ветровой турбины, если при этом шероховатость поверхности не вызывает сильной турбулентности.

      Вторая особенность – эффект холма. Воздух сжимается при набегании на наветренную сторону холма и, перевалив через гребень, рассеивается в разряженной области с подветренной стороны. Однако, если склон особенно крутой или неровный, значительная доля турбулентности может снизить положительный эффект сжатия воздуха.

      Существенное влияние на работу ВЭУ оказывают поджатие и ускорение ветрового потока, проходящего над возвышенностями. Часто оказывается возможным увеличить среднюю выработку ветродвигателя, если при его установке обращать внимание на увеличение средней скорости ветра в результате явлений подобных указанным.

      Не учитывая того факта, что на вершинах хребтов скорость ветра выше благодаря эффекту увеличения скорости ветра с высотой, хребты также являются концентраторами ветрового потока, вызывающие ускорение воздуха вблизи вершины.

      В общем можно сказать, что эффект сильнее, когда хребет достаточно гладкий и его наклон имеет среднее значение. Идеальный угол наклона составляет 16 град (29м подъема на 100м горизонтальной дистанции), но также возможны углы между 6 и 16 град. Углы больше, чем 27 град дают отрицательный эффект. Треугольная форма хребтов лучше круглой. Ориентация хребта предпочтительно перпендикулярная превалирующему направлению ветра. Если хребет дугообразный, то лучше, если ветер дует в вогнутую сторону хребта. Количественная оценка ускорения сложна в определении, но увеличение от 10 до 20% может быть легко достигнуто.

      Изолированные холмы дают меньше ускорения, чем хребты, потому что воздух стремиться течь вокруг холма. Это означает, что в некоторых случаях две стороны холма, перпендикулярные превалирующему направлению ветра, являются лучшим местом, чем вершина.

    5. Взаимное влияние ВЭУ

      При создании ветропарков учитывается взаимное влияние ВЭУ. Ротор ветрогенератора оказывает влияние на поток воздуха. При прохождении потока через ротор он замедляется и становится более турбулентным. Это напоминает кильватерную струю, остающуюся за кораблем. По этой причине ВЭУ обычно располагают на расстоянии не меньшим, чем тройной диаметр ветроколеса. По направлению преобладающих ветров турбины надо располагать дальше друг от друга (на расстоянии, равном 5 – 9 диаметров ротора). Потери энергии при более близком расположении ветротурбин называют «эффект ветропарка».

    (Источник: http://alphacompany.ru/2.doc)

Предыдущий раздел Содержание Следующий раздел