Вы читаете poisk

Предидущее | Следующее

доминикана, серф

Originally published at Профессионально об энергетике. Please leave any comments there.

Автор: Павел Беляков, к.т.н., доцент, профессор каф. электрической энергетики Международного института компьютерных технологий (г. Воронеж); доцент каф. электромеханических систем и электрическогоснабжения Воронежского государственного технического университета

Автор приносит свои извинения специалистам в области ветроэнергетики за упрощенное изложение материала и неполное соответствие терминологии, так как статья носит скорее популярный, чем научный характер

Краткая предистория вопроса

Ветряки с вертикальной осью вращения известны человечеству с незапамятных времен. Наиболее древний документ, дошедший до нашего времени, в котором упоминается такое устройство, датируется не очень точно и относится к периоду 500-900 годами н.э. В документе описывается персидский механизм, применявшемся для подъема воды и помола зерна. Позже такой ветро_двигатель получил латинское название «panemone», что означает: вращается при любом направлении ветра.
Ветро двигатели с вертикальной осью использовались и в Кнр, который часто упоминается, как место их рождения. Широко распространена версия о том, что ветряная мельница была изобретена в Кнр больше 2000 лет назад, однако наиболее раннее документальное упоминание датируется 1219 г. н.э. и принадлежит одному из китайских государственных деятелей. В документе также отмечено, что ветро_двигатель, очевидно, применялся для размола зерна и перекачивания воды.


Pис. 1: Первые ветро_двигатели с вертикальной осью вращения
Этапы новейшей истории развития ветродвигателей с вертикальной осью вращения отмечены патентами на конструкции, успешно используемые в настоящее время:

  • ротор Савониуса (С.Ж. Савониус, Финляндия, 1922 г., рис. 2а);
  • ротор Даррье (Ж. Ж.-М. Дарриус, Франция, 1931 г., рис. 2б);
  • ротор Масгрова (П. Масгров, Великобритания, 1975 г., рис. 2в);
  • ротор «Виндсайт» (Р. Йутсиниеми, Финляндия, 1979 г., рис. 2г);
  • геликоидная турбина Горлова (А. Горлов, США, 2001 г.), которую с незначительными отличиями воспроизводят турбины В.Э.У. «Tvister», «Turby», «Quitrevolution» (рис. 2д). и др.


Рис. 2: Этапы новейшей истории ветродвигателей с вертикальной осью вращения

Принцип действия
Преобразование энергии в современных В.Э.У. осуществляется в два этапа: кинетическая энергия движущейся воздушной массы (ветра) сначала преобразуется в механическую энергию, а затем механическая энергия преобразуется в электрическую. Для преобразования ветроэнергии в механическую энергию применяются аэромеханические устройства, которые в соответствии с российским стандартом принято называть ветродвигателями. За рубежом при разговоре об аналогичных устройствах чаще всего пользуются термином ветро_турбина.
Ветро_Двигатель отбирает у движущейся с некоторой скоростью воздушной массы только часть ее кинетической энергии, а величина этой части зависит от принципа действия установки, габаритов активной части и режима работы. Известны два основных способа отбора мощности у движущегося воздушного потока, на которых базируется работа современных ветродвигателей.
В первом способе используется феномен подъемной силы крыла, имеющего в сечении соответствующий аэродинамический профиль и находящегося в движущемся потоке воздуха. Для простоты назовем их «ветродвигатели подъемной силы».
В основе второго способа лежит дифференциальное (неодинаковое) лобовое сопротивление твердого тела несимметричной формы, при его различной ориентации относительно направления воздушного потока. Назовем их «ветродвигатели дифференциального лобового сопротивления».
Существуют также многочисленные конструкции, которые сочетают в себе два вышеуказанных способа в различном процентном соотношении.
Для того чтобы производить сравнительную оценку технических решений, в ветроэнергетике выработаны критерии, характеризующие энергетическую эффективность конструкции и режим работы: коэффициент использования ветроэнергии и быстроходность, соответственно.

Под коэффициент использования ветроэнергии понимается отношение механической мощности, развиваемой ветродвигателем, к механической мощности воздушного потока, протекающего через пространство, ометаемое рабочими поверхностями (крыльями или лопастями) этого ветродвигателя. В международной ветроэнергетике принято обозначать коэффициент использования ветроэнергии Ср и называть «Си Пи фактор». Теоретически доказано, что для идеального ветродвигателя, в котором не учитываются никакие потери, величина Ср не может быть более 0,593. Это число получило название лимит Бетца и по определению является величиной безразмерной.
Быстроходность ветродвигателя – это отношение линейной скорости наиболее удаленной от оси вращения ветродвигателя точки крыла (определяемое радиусом ротора и его частотой вращения) к скорости ветра, которое принято обозначать символом U . Быстроходность по определению является величиной безразмерной. Считается, что ветро_двигатель тихоходный, если U < 2, и быстроходный, если  4.
Вертикально-осевые ветро_двигатели «подъемной силы»
На рисунке 3 показаны: устройство простейшего ортогонального ветродвигателя, треугольники скоростей и силы, действующие на лопасть в зависимости от ее положения относительно направления ветра.

Рис. 3: Работа конструкции, использующей подъемную силу крыла

Где: U – скорость ветра, V – тангенциальная скорость перемещения лопасти; W – суммарная («кажущаяся») скорость воздушного потока, взаимодействующего с лопастью;  α – угол атаки; Т – сила, создающая крутящий момент; N – сила, риложенная к траверсе, соединяющей лопасть с валом установки; L – подъемная сила лопасти ; D – сила лобового сопротивления лопасти.

Ветро_Двигатель такой конструкции имеет пульсирующий крутящий момент и для ввода при некотором значении быстроходности в режим авторотации чаще всего требует раскрутки внешним двигателем.

При увеличении количества лопастей до трех и их закрутке вокруг оси ротора (геликоидный ротор), СPувеличивается от 0,3 до 0,4. Крутящий момент становится постоянным независимо от положения лопастей относительно направления ветра, и достаточно регулярно наблюдается самозапуск на холостом ходу при скоростях ветра 3 м/с и выше. Оптимальный режим работы данных ветродвигателей (максимальное значение СP) достигается при значениях 1 от 4 до 5 единиц. Увеличение количества лопастей ротора более пяти, как правило, приводит к снижению быстроходности и уменьшению СP.

Рис. 4: Многообразие конструкций современных вертикально-осевых ветродвигателей, использующих для создания крутящего момента подъемную силу крыла
Следует отметить, что вращение турбин приведенных конструкций наблюдается при любом направлении ветра, и они не нуждаются в устройствах ориентации и дополнительных трансмиссиях, снижающих уровень надежности. Это одно из основных преимуществ установок данного типа при сравнении с горизонтально-осевыми В.Э.У..
Однако продолжают появляться новые схемы вертикально-осевых В.Э.У., в частности установка «с качающимся крылом», в которой углы атаки крыльев в зависимости от направления ветра изменяются при помощи несложной кинематики, принцип действия которой понятен из рисунка 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. Производство таких установок значительными сериями не ведется.

Рис. 5: Пример конструкции вертикально-осевая ветро_турбины с наведением на ветер
Вертикально-осевые ветродвигателя «дифференциального лобового сопротивления»
Первые ветро_двигатели с вертикальной осью работали, используя данный принцип, который заключается в том, что твердое тело несимметричной формы (например, полусфера) при различной ориентации в потоке воздуха (жидкости), обладающего постоянной скоростью V, взаимодействуют с потоком с различными усилиями FЛС1 и FЛС2соответственно. 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 закрепить на траверсе с двух сторон симметрично относительно оси вращения, то при взаимодействии с движущейся воздушной массой появляется крутящий момент, и устройство будет вращаться с некоторой частотой w.


Рис. 6: Принцип действия ветродвигателя «дифференциального лобового сопротивления»
Величина крутящего момента зависит от разницы усилий, воздействующих на тела, расположенные по разные стороны от оси вращения, а эти усилия определяются скоростью ветра, размерами тел (площадью лобового сечения) и коэффициентом лобового сопротивления.
Среди ветродвигателей, действующих по принципу дифференциального лобового сопротивления, наиболее известны ротор Савониуса и его модификация – ротор Виндсайт. Машины просто устроены, работают даже при очень низких скоростях ветра, но обладают невысоким СP. Максимально значение СP для ротора Савониуса, приведенное в источниках, равно 0,25. Номинальная быстроходность этих турбин, как правило, меньше единицы, и они имеют относительно высокий пусковой момент.

Рис. 7: Разнообразие конструкций ветродвигателей, работающих по принципу дифференциального лобового сопротивления

Комбинированные вертикально-осевые ветро_двигатели. Наряду с двумя рассмотренными основными группами вертикально-осевых ветродвигателей, выпускаемых серийно, имеются установки, в которых сочетаются два описанных принципа действия.


Рис. 8: Конструкции ветродвигателей, использующих для создания крутящего момента комбинацию феноменов подъемной силы крыла и дифференциального лобового сопротивления

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


Рис. 9: Вертикально-осевые установки «циклоидного» типа с наведением на ветер.

а) – В.Э.У., построенная марокканскими студентами под руководством автора в 1995 г. (фото автора);
б) – В.Э.У., серийно выпускаемые китайскими производителями в 2010 г.

В устройствах, показанных на рисунке выше, 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 подъемная сила крыла. Для правильной ориентации лопастей они связаны между собой либо трансмиссией с зубчатым ремнем, либо трансмиссией с зубчатыми колесами. Устройство с трансмиссией, использующей конические зубчатые колеса, было реализовано автором в 1995 г. (рис. а). Позже в 2000 г. детальному исследованию в аэродинамической трубе была подвержена масштабная модель аналогичного по принципу действия двухлопастного устройства. Результаты исследования показали, что Ср системы не превышает 0,2; после чего опыты с данной конструкцией были прекращены. Однако китайские производители В.Э.У. (рис. б) в настоящее время поставляют на рынок аналогичные установки мощностями 3, 5 и 10 кВт при скоростях ветра 9, 10 и 10 м/с соответственно.

Энергетические характеристики
Основные свойства любого ветродвигателя достаточно полно описываются зависимостью СP = f(1), которая называется его главной энерго характеристикой. На рисунке 8 приведены главные энергетические характеристики ряда распространенных ветродвигателей.

Ветроэнергетикам хорошо известно, что СP £0,593 , что было теоретически доказано нашими российскими учеными (Сабинин и др.) еще в 1914 г., но за рубежом доказательство было опубликовано в 1924 г. немецким физиком Бетцем, и величина 0,593 носит название «предел Бетца».

Рис. 10: Главные энергетические характеристики наиболее распространенных ветродвигателей

Из рисунка очень хорошо видно, что вертикально-осевые ветро_турбины, использующие для создания крутящего момента подъемную силу крыла, имеют Ср по величине, очень близкий к показателю быстроходных малолопастных ветроколес с горизонтальной осью вращения. Это обстоятельство наряду с относительной простотой конструкции и отсутствием необходимости наведения на ветер, является причиной современного возрождения интереса к вертикально-осевым ветродвигателям.


Рис. 11: Пример представления технических характеристик на сайте производителя (Кнр)

Не менее важной характеристикой вертикально-осевого (как, впрочем, и любого другого) ветродвигателя, является кривая развиваемой мощности, представляющая собой зависимость выходной электрической мощности установки от скорости ветра. Серьезные производители В.Э.У. 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 скоростей ветра для интересующей нас местности кривая развиваемой мощности позволяет произвести довольно точный расчет выработки электрической энергии.


Рис. 12: Примеры кривых выходной мощности двух В.Э.У. с вертикальной осью вращения

Тенденции развития вертикально-осевых В.Э.У.

Современная волна интереса к вертикально-осевым В.Э.У. объясняется рядом объективных причин:

  • практически исчерпанные резервы развития горизонтально-осевых В.Э.У. (как концептуально, так и технически – более крупные установки строить при современном уровне развития технологий уже невозможно);
  • относительно высокие энергетические характеристики отдельных конструкций ВО В.Э.У. при значительно более простой конструкции, не требующей в большинстве случаев наведения на ветер;
  • относительно низкий уровень шумов и вибраций.

Обозначим некоторые тенденции, наблюдаемые в области проектирования, производства и эксплуатации ВО В.Э.У. в настоящее время.
Широкое использование компьютерного моделирования. Успехи в развитии современных математических методов и программных средств, позволяют производить достаточно точные проектные расчеты при наличии существенно турбулентных процессов, имеющих место при работе В.Э.У. данного типа. На рисунке ниже приведены характерные формы представления результатов применения программных средств, реализующих метод конечных элементов для расчета поля скоростей воздушного потока, проходящего через сечение ротора ВО В.Э.У.. Именно благодаря компьютерному моделированию рассматриваемая область ветроэнергетики получила мощный толчок развития.

Рис. 13: Типичное представление результатов аэродинамического расчета методом конечных элементов

Постоянное совершенствование конструкций ВО В.Э.У.. Наряду с использованием новых конфигураций лопастей в области ВО В.Э.У. появилась тенденция введения механизации крыла. В случае, если в установке применяется прямое крыло, имеется возможность реализовать комбинацию Савониус-Даррье для работы в различных режимах:

Рис. 14: Вариант механизации крыла ВО В.Э.У.
Разделение ВО В.Э.У. на две группы по соотношению высоты ротора  к диаметру. Анализ существующих конструкций ВО В.Э.У. показывает, что с увеличением установленной мощности наблюдается тенденция к увеличению диаметра ротора при одновременном снижении частоты его вращения. Чем больше габариты 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 15 приведены наиболее часто встречающиеся пропорции ВО В.Э.У., в сравнении с горизонтально-осевыми установками.

Рис. 15: Пропорции ВО В.Э.У.
Строительство оффшорных ветропарков на базе ВО В.Э.У.. Важнейшей тенденцией, наблюдаемой в современной ветроэнергетике, является строительство ветропарков на континентальном шельфе. Строительство ветропарка вообще выгоднее, чем строительство отдельной ветроэлектростанции. 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 ветропарках применялись исключительно горизонтально-осевые В.Э.У.. Совсем недавно в Интернете опубликована информация о предстоящем строительстве объекта установленной мощностью 10 МегаВт на базе вертикально-осевых установок.

Мощное ускорение китайских производителей. Еще три-четыре г. назад найти рекламу китайского предприятия по производству В.Э.У. в Интернете было практически невозможно. Сегодня на первых тридцати страницах поиска по теме ВО В.Э.У. среди китайских предприятий изредка проскальзывают американские и европейские. Характерной чертой китайской ветроэнергетики является то, что в производство запускается любое устройство, способное производить электроэнергию из ветроэнергии независимо от принципа действия и величины Ср. 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 ветроэнергетики. Как отмечалось выше, уже сегодня Кнр вышел на второе место в мире по установленной мощности В.Э.У..

Научно-исследовательская лаборатория технологий энергетики возобновляемых источников Международного института компьютерных технологий (НИЛ ТЭВИ МИКТ, г. Воронеж) совместно с учебно-исследовательской лабораторией альтернативных энергетических технологий и установок (УИЛ АЭТУ) Воронежского государственного технического университета в течение ряда лет проводит исследования в области ВО В.Э.У.. Под руководством автора в лабораториях произведены продувки масштабных моделей ряда роторов.


Рис. 16: Разновидности исследованных моделей роторов (фото автора)

В результате проведенных исследований по заказу ЗАО «Балтийский станкостроительный завод» разработана перспективная конструкция ВО В.Э.У., демонстрационный масштабный образец которой в настоящее время находится в стадии изготовления.
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 схеме: ветро_турбина – синхронный генератор – регулируемый выпрямитель – буферный накопитель энергии – инвертор – потребители или сеть.
Фирма ВЕСТАС, которая занимает значительную долю мирового рынка В.Э.У., прошла тридцатипятилетний путь в поисках этой схемы, которая сегодня считается наиболее перспективной.
Приемлемый К.П.Д. устройства обеспечивается путем регулирования нагрузки в зависимости от (скорости ветра или крутящего момента) и использованием пассивного магнитного подвеса, который в настоящее время довольно широко начинает применяться в таких конструкциях.
На рис. ниже показаны полуфабрикаты лопастей модели ротора и 3D-образ демонстрационного макета.


Рис. 17: Перспективная разработка ВО В.Э.У.:

а) – заготовка лопасти (фото автора);
б) – модель ВОВЭУ в работе (фото автора);
в) – демонстрационный образец 1,5 кВт

В будущем для увеличения мощности ВО В.Э.У. потребуются либо спецгенераторы, либо мультипликаторы.

Profile

доминикана, серф
poisk
Alex Abakumov

Latest Month

Январь 2014
Вс Пн Вт Ср Чт Пт Сб
   1234
567891011
12131415161718
19202122232425
262728293031 

Метки

Разработано LiveJournal.com
Designed by chasethestars