Что такое ветровой двигатель

Виды ветродвигателей

Дата публикации: 19 ноября 2013

• Компас выбора
• Два вида, два соперника
• Ветрогенераторы с горизонтальной осью
• Как курицу превратили в страуса

Для начала давайте договоримся, что говоря о ветродвигателях мы имеем в виду ту часть ветро-силовой установки (ВСУ), которая преобразует энергию ветра в энергию вращательного движения. Ветродвигатель приводится в движение ветром, он напрямую или посредством какого-то передающего механизма связан с валом, вращение которого приводит в действие оборудование, выполняющее полезную работу (например, генератор или водяной насос). Часто ветродвигатель называют ротором или ветроколесом.

В этой заметке мы расскажем об основных типах ветродвигателей. Дилетанту, впервые столкнувшемуся с ветроэнергетикой не просто сделать правильный выбор из множества типов таких установок.

Эффективность

Оценить энергетическую эффективность агрегата определённого типа и конструкции, сравнить её с показателями подобных двигателей довольно просто. Необходимо определить коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ). Рассчитывается он как отношение мощности, полученной на валу ветродвигателя, к мощности ветрового потока, действующего на поверхность ветроколеса.

Коэффициент использования энергии ветра для различных установок составляет от 5 до 40%. Оценка будет неполной без учёта затрат на проектирование и строительство объекта, количества и стоимости генерируемой электроэнергии. В альтернативной энергетике срок окупаемости затрат на ветродвигатель является важным фактором, но также обязателен учёт полученного экологического эффекта.

Ветродвигатель.Тенденции развития технологий ветродвигателей

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).

Ротор ветродвигателя по оси ориентации в пространстве делятся на два типа: горизонтальные и вертикальные оси.

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.

строительство ветряных электростанций в море имеют свои преимущества:

· 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.

Однако, помимо преимуществ морского и создает дополнительные трудности:

· 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.

Крыльчатые ветродвигатели

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.

Типы ветротурбин, их мощность, эффективность

Какие бывают ветротурбины?

Ветротурбины отличаются по ориентации оси вращения по отношению к направлению ветра и по типу ветротурбины.

По ориентации оси вращения ветротурбины подразделяются на ветроустановки с вертикальной осью вращения и ветроустановки с горизонтальной осью вращения. Ветроустановки с горизонтальной осью составляют около 95% всех ветроустановок, подключенных к сетям энергосистем.

Ветротурбины также принципиально отличаются по тому, какую силу они используют для преобразования в механическую – силу давления ветра или подъемную силу. От этого свойства существенно зависит КПД ветротурбины. Теоретические КПД равны: для первого типа 0,22, для второго – 0,59 (согласно теории Жуковского Бетца).

Ветротурбина чашечного типа (использует силу давления ветра)

Ветроустановки, использующие силу давления ветра, имеют право на жизнь, но наукой и опытом давно доказана их очень низкая эффективность по сравнению с пропеллерными или другими, использующими подъемную силу крыла. Это примерно как гребные колеса у дореволюционных пароходов по сравнению с обычным винтом любого современного корабля или катера. Такие ветротурбины имеют большую материалоемкость и, соответственно, высокую удельную стоимость.

Ортогональные ветроустановки с вертикальной осью вращения, которые используют подъемную силу крыла, имеют КПД немногим менее пропеллерных, поэтому их эффективность также высока. Но у таких вертикально-осевых турбин есть другой недостаток – они не могут самостоятельно начать вращение, и для их запуска их надо раскрутить – или от сети, или с помощью другой ветротурбины, имеющей стартовый момент вращения (часто используется турбина Савониуса для этих целей).

Вертикально-осевые ветротурбины (ВОВТ), как правило, менее эффективны, чем горизонтально-осевые ветротурбины (ГОВТ), по следующим причинам:

• Лопасть испытывает сопротивление при вращении, т.к. на части траектории она должна двигаться противоположно направлению ветра
• ВОВТ часто установлены на более низкой высоте (земля или крыша здания), где скорость ветра меньше.
• ВОВТ имеют проблемы, связанные с вибрацией, например, шум и более быстрый износ и разрыв опорной конструкции (так как воздушный поток имеет большую турбулентность на низкой высоте).
• Нагрузка на электрогенератор от массы ветротурбины, если она установлена на одном валу с электрогенератором.

Зависимость КПД ветротурбины от ее типа и быстроходности

Важным параметром ветроколеса является быстроходность. Быстроходность – это отношение линейной скорости лопасти к скорости ветра. У ветротурбин, использующих силу давления ветра, быстроходность всегда меньше 1. К таким ветротурбинам относятся карусельные, чашечные и другие аналогичные типы ветротурбин. Ротор Савониуса имеет быстроходность немного больше единицы потому, что кроме силы давления ветра в нем используется еще и реактивная сила. У ветротурбин, использующих подъемную силу крыла, скорость лопасти больше скорости ветра.

Как это не парадоксально, но чем меньше лопастей в ветроколесе, тем выше его КПД. Это проверено как теоретическими исследованиями, так и продувками в аэродинамической трубе, хотя разница между 1, 2, 3 лопастями незначительна. Однако, с уменьшением количества лопастей также уменьшается момент страгивания и ухудшается работа при низких скоростях ветра. У однолопастных ветротурбин также есть серьезная проблема с балансировкой и надежностью ветроколеса.

Ветрогенераторы с 2-3 лопастями относятся к быстроходным с более высоким КПД и частотой вращения, но при этом у них низкий стартовый момент вращения ротора. Поэтому быстроходные ветрогенераторы выгодно объединять с электрическим генератором, так как электрический генератор имеет высокую частоту вращения (для улучшения массогабаритных характеристик) и низкий пусковой момент. Тихоходные многолопастные ветротурбины обычно работают в связке с водяными насосами, у которых большой момент запуска и меньшая частота вращения. Быстроходные 3-х лопастные ветрогенераторы получили большее распространение, чем 1-2-х лопастные, несмотря на их высокую стоимость. 3-х лопастным ротором генерируется меньше вибрация и выглядит он более эстетично. Поэтому во всем мире оптимальным количеством лопастей горизонтально-осевой ветротурбины признано 3.

От чего зависит мощность ветротурбины?

Мощность ветротурбины зависит от скорости ветра, площади ометаемой поверхности и эффективности ветротурбины. Это основные факторы, влияющие на вырабатываемую ветротурбиной мощность (и, соответственно, энергию). На выработку также влияет турбулентность ветропотока, плотность воздуха, равномерность распределения скорости ветра по ометаемой площади.

Скорость ветра – важнейший элемент в проектировании и использования ветроустановки. Вырабатываемая мощность пропорциональна кубу скорости ветра и квадрату диаметра ротора. Это означает, что при удвоении скорости ветра возможная вырабатываемая мощность увеличивается в 8 раз. Так, ветроустановка, работающая при средней скорости 6 м/с, генерирует мощность на 44% большую, чем при скорости 5 м/с. Если скорость ветра определяется местом, где сооружается ветроустановка, то диаметр ее ротора – это элемент конструкции, величина которого зависит от многих расчетных параметров. Чаще всего решается обратная задача: задается проектируемая мощность ВЭУ и далее определяется требуемый диаметр при определенной расчетной скорости.

где ρ= 1,22 – плотность воздуха (стандартная), кг/м 3
V – скорость ветра, , м/с
η_г·η_м– коэффициенты полезного действия генератора и механической передачи между ветроколесом и генератором,
C_p – коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ), зависящий от профиля лопастей и других режимных параметров, предельное значение которого равно 0,593, а достигнутое в эксплуатации- 0,4-0,45,
А – площадь ветротурбины, в случае пропеллерной турбины вычисляется по формуле:

где D, м- диаметр ротора,π=3,14.

Скорость ветра увеличивается с высотой над уровнем земли, поэтому чем выше мачта ветротурбины, тем более производительной будет ветроустановка.

Ветроустановка состоит из следующих основных подсистем и узлов:

1. ротор или лопасти, который преобразует энергию ветра в энергию вращения вала,
2. кабину или гондолу, в которой обычно расположен редуктор ( некоторые турбины работают без редуктора),
3. генератор и другие электромеханические системы,
4. башню или мачту, которая поддерживает ротор и кабину,
5. электрическое и электронное оборудование, такие как панели управления, электрические кабели, оборудование заземления, оборудование для подключения к сети, система молниезащиты, система накопления электроэнергии и ее стабилизации, и др.

Как выбрать ветрогенератор?

Распространенная ошибка – выбирать мощность ветроустановки по пиковой мощности нагрузки. Ветрогенератор, также как и солнечные батареи, является источником энергии, а не мощности. Поэтому расчет ветроэнергетической системы ведется в несколько шагов, и желательно, если это сделает специалист.

Для выбора ветрогенератора сначала Вам необходимо определить своё потребление в кВт*часах в месяц, пиковую (суммарную) мощность всех приборов и постараться узнать среднегодовую и среднемесячные скорости ветра в Вашей местности. Последний параметр не всегда возможно определить с достаточной точностью. Даже если вы получите данные по многолетним скоростям ветра от ближайшей метеостанции, не факт, что в месте установки вашей ветротурбины будет именно такая скорость ветра. Поэтому для больших ветростанций необходимо обязательно проводить мониторинг скорости ветра хотя бы в течение одного года, а затем сделать корреляцию полученных данных с данными от ближайшей метеостанции. Для малых ветроустановок такой путь слишком дорог, и очень часто малые ВЭУ устанавливаются на страх и риск хозяина. В таких случаях обычно, если ветра недостаточно, признается, что решение об установке ветротурбины было ошибочным. Если же ветер хороший, то следующим шагом обычно является увеличение мощности малой ветростанции.

Для получения электричества в необходимом объёме нужно понимать, что количество вырабатываемой ветряком энергии напрямую зависит от ометаемой ветротурбиной площади или максимального сечения ветротурбины. Для минимального обеспечения пары лампочек, ТВ, холодильника, электрочайника — диаметр ветряка должен быть не менее 2,5 метров при средних по силе ветрах.

Упрощенная формула расчета реально отдаваемой ветром мощности в зависимости от скорости ветра и диаметра винта:

Р = D 2 V 3 /7000, кВт,

Некоторые производители представляют результаты продувок своих ветроэлектрических установок по мощности в аэродинамической трубе. Это хорошо, и говорит о серьезном подходе к делу. Однако, необходимо учитывать, что мощность в аэродинамической трубе и в природе на ветру отличаются примерно на 10-30% вследствие идеализации воздушного потока в трубе. Реальный поток ветра имеет турбулентности, которые существенно ухудшают параметры ветроколеса.

Мощность, вырабатываемая ветрогенератором, пропорциональна кубу скорости ветра. Это означает, что мощность ветрогенератора на слабых ветрах (даже если он вращается) очень мала. Но, с усилением ветра, идет резкое нарастание мощности. А поскольку ветер на практике дует с постоянной скоростью и направлением только в аэродинамической трубе, понятно, что мощность, вырабатываемая ветрогенератором, является постоянно меняющейся по времени величиной. Поэтому любая энергетическая система с использованием ветрогенератора в качестве источника энергии должна иметь стабилизирующее звено.

В малых автономных системах роль такого звена обычно играет аккумуляторная батарея. Если мощность ветрогенератора больше мощности нагрузки, батарея заряжается. Если мощность нагрузки больше – батарея разряжается. Из этого следует следующая важная особенность ветрогенератора, как источника мощности: если большинство других источников выбираются по мощности пиковой нагрузки, ветрогенераторы следует выбирать, исходя из величины потребления электроэнергии в месяц (или в год, как кому нравится).

Проиллюстрируем это на примере. На берегу моря, где средняя скорость ветра приближается к 6 м/с, стоит домик, куда приезжает семья из трех человек на выходные. Электрооборудование включается тоже только на выходные. В день потребление достигает 15 кВт*ч, при этом пиковая нагрузка – до 3 кВт. Следовательно, в месяц потребление энергии равно 120 кВт*ч. При среднегодовой скорости ветра 6 м/с выработку 120 кВт*ч в месяц может обеспечить небольшой 700-ваттный ветрогенератор. Кроме того, для аккумулирования энергии в течение 5 дней потребуется батарея большой емкости, и инвертор (который преобразовывает постоянное напряжение батареи в стандартное переменное) мощностью 3 кВт, чтобы обеспечить пиковые нагрузки.

Как можно видеть, в каждом из вышеописанных случаев мощность ветрогенератора отличается в разы от пиковой мощности нагрузки. Мощность пиковой нагрузки определяет мощность преобразователя. Сам ветрогенератор определяет только величину выработки в определенный временной промежуток при определенной среднемесячной скорости ветра. Кроме средней скорости ветра, существуют более подробные вводные данные для оценки ветровых ресурсов, называемые параметрами распределения Вейбулла, которые отражают распределение длительности ветра определенной силы для данного места, они используются при проектировании ветропарков мощностью в десятки МВт.

В каких случаях выгодно использовать ветрогенератор?

Ветровые электростанции установки наиболее выгодно использовать в местах, где невозможно провести общую электросеть, или соединение является очень затратным, а также – в местах с частыми отключениями электричества. Ветровые электростанции смысл устанавливать, если в месте становления среднегодовая скорость ветра превышает 3 м/с.

В общем случае, при среднегодовой скорости ветра более 4 м/с на высоте 10 м (на этой высоте на метеостанциях устанавливаются анемометры – приборы, измеряющие скорость ветра) возможно эффективное применение ветроустановок, а ветер с меньшей скоростью годится для водоподъемных устройств.

Хорошими ветровыми условиями в России обладают следующие субъекты РФ: Архангельская, Астраханская, Волгоградская, Калининградская, Камчатская, Ленинградская, Магаданская, Мурманская, Новосибирская, Пермская, Ростовская, Сахалинская, Тюменская области, Краснодарский, Приморский, Хабаровский края, Дагестан, Калмыкия. Карелия, Коми. Ненецкий автономный округ, Хакасия, Чукотка, Якутия, Ямало-Ненецкий автономный округ.

По опыту эксплуатации ветропарков, установленных в Российской Федерации, их КИУМ в среднем равен 12%. Как видим, российские ветропарки имеют невысокий КИУМ. Это связано как с невысокой среднегодовой скоростью ветра в местах их установки, так и с большим временем простоя.

Какие нужны документы и разрешения для установки ветрогенератора?

Импортируемые ветроустановки не подлежат сертификации. Вы можете без проблем установить на своей территории для себя ветрогенератор мощностью до 75 кВт и высотой до 30 метров для личного некоммерческого использования. Для этого не нужны никакие документы, справки или разрешения.

Мощности промышленных станций

Мощность промышленных ветряных электростанций высокая. Она способна обеспечивать электричеством большие районы. К примеру, ветряная электростанция в Китае «Ганьсу» выдает мощность в 7965мВт.

Однако такую мощность выдают только самые крупные ветряные электростанции, в большинстве случаев установки имеют величину намного меньше таких показателей. Но объединенные в единую электростанцию конструкции способны работать на более высокой мощности, примерно 400мВт-500мВт.

Ветряные электростанции для дома выдают маленькие показатели мощности, поэтому они способны вырабатывать электричество только для определенного числа потребителей.

Ветряк своими руками. Забава или реальная экономия?

Скажем сразу, что сделать ветрогенератор своими руками полноценным и эффективным непросто. Грамотный расчет ветрового колеса, передаточного механизма, подбор подходящего по мощности и оборотам генератора – отдельная тема. Мы дадим лишь краткие рекомендации по основным этапам данного процесса.

Генератор

Автомобильные генераторы и электродвигатели от стиральных машин с прямым приводом для этой цели не подходят. Они способны генерировать энергию от ветрового колеса, но она будет незначительной. Автогенераторам для эффективной работы нужны очень высокие обороты, которые не может развить ветряк.

В моторах для стиралок другая проблема. Там стоят ферритовые магниты, а для ветрогенератора нужны более производительные – ниодимовые. Процесс их самостоятельного монтажа и намотки токоведущих обмоток требует терпения и высокой точности.

Мощность устройства, собранного своими руками, как правило, не превышает 100-200 Ватт.

В последнее время среди самодельщиков пользуются популярностью мотор-колеса для велосипедов и скутеров. С позиций ветроэнергетики это мощные ниодимовые генераторы, оптимально походящие для работы с вертикальными ветровыми колесами и зарядки аккумуляторов. С такого генератора можно снимать до 1 кВт ветровой энергии.

Проще всего изготавливаются парусный и роторный винты. Первый состоит из легких изогнутых трубок, закрепленных на центральной пластине. На каждую трубку натягиваются лопасти из прочной ткани. Большая парусность винта требует шарнирного крепления лопастей, чтобы при урагане они складывались и не деформировались.

Роторная конструкция ветрового колеса используется для вертикальных генераторов. Она проста в изготовлении и надежна в работе.

Самодельные ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения работают от пропеллерного винта. Домашние умельцы собирают его из труб ПВХ диаметром 160-250 мм. Монтаж лопастей выполняется на круглой стальной пластине с посадочным отверстием для вала генератора.