Содержание

Лопасти для ветряка на 3D-принтере (создание ветрогенератора, часть 1) / Хабр

Уже 15 лет, как мечта построить ветрогенератор оставалась нереализованной. Казалось бы, давно канули в лету попытки электрифицировать дачу с помощью бочки и генератора от жигулей, хотя нет, до сих пор людям не дает покоя публикация в “Юном технике” 80-х 😉

Но современные технологии вдохнули новую жизнь в старую идею. И подход будет куда более научным.

Для начала, я построил ультразвуковой анемометр с вычислением энергии ветра. Полевые испытания не за горами.

Теперь следует определиться с типом ротора – горизонтальный или вертикальный- это скорее вопрос религии и тема для холиваров.

Поэтому безо всяких обьяснений скажу- я выбрал ротор Дарье с вертикальной осью, вот такой:

Но конструкция на фото имеет мощность 5 килоВатт и размеры лопастей уж никак не вмещающиеся в область печати Прюши – 200×200х200мм.

А мне этого и не надо, поскольку можно использовать концепцию гирлянды ветряков:

Тогда задача сводится к выбору размера “базовой ячейки” и доводке ее энергоэффективности. Это кстати избавит от траты “всех денег” в случае фэйла – изготовление ротора с ометаемой площадью 1 квадратный метр по карману даже студенту.

Кстати, мощность, снимаемая с одной ячейки должна получиться от 100Вт(при скорости ветра 8м/с), что может стать хорошим решением для рыбаков/туристов/охотников.

Но вернемся к нашим баранамветрякам – нужно создать 3D-модель профиля NACA-0021/0012, используемого в роторах Дарье с 50-х годов прошлого века.

Найти уже готовый чертеж данных профилей в формате SVG не составляет труда:

Но он же плоский, как сделать его обьемным?

Элементарно! Для этого подойдет даже простейший инструмент для 3D-моделирования. Я воспользовался онлайн-ресурсом tinkercad.com, импортировал туда чертеж, и получил рыбу-вомера 8-0

Но ведь мы помним соотношение хорды(длины) к толщине – выставив его получаем искомую картину.

Теперь остается выставить требуемую высоту, отверстия под резьбовые шпильки(на них я буду собирать экпериментальную версию) и гнезда под гайки:

Все, остается экспортировать готовую модель в STL-формате и нарезать любимым слайсером (у меня- CURA)

Теперь последуют эксперименты с разной длинной хорды относительно диаметра ротора(обычно 10-18%), числом лопастей (2/3/4) и их относительной толщиной. Напомню, у меня диаметр ротора будет 1м, начну с коротких(хорда-10см) и “толстых”(21%) лопастей, 2 шт.

Для начала критерием эффективности послужит количество оборотов ротора без нагрузки, ибо “индекс скорости”/быстроходность является косвенным критерием КПД/КИЭВ.

Просто как правило, Коэффициент Использования Энергии Ветра прямо пропорционален быстроходности (скорость лопасти относительно ветра – от 3х для Дарье), что в переводе на круговое движение дает RPM.

Но не все так просто – больше всего вопросов вызывает сам генератор и редуктор.

Для метровой турбины просится зубчатая ременная передача с натяжителем (передаточные числа до х10), но об этом в следующей публикации.

А пока что 3D-принтер днями и ночами не остужая экструдера печатает 166-мм участки лопастей для грядущей энергонезависимости ульев 😉

Да-да, я не забросил эту тему (у меня уже 2 улья с живыми пчелами и свой мед), просто некоторое время вел ее на отдельном сайте.

До скорой встречи на страницах Хабра, электропчеловод Андрей

Лопасти из пластика на заказ

  1. Главная
  2. Детали
  3. Виды деталей
  4. Лопасти

Наша компания производит пластиковые лопасти на заказ. Создаваемые нами детали отличаются аккуратностью исполнения, высокой прочностью и выгодной стоимостью. Мы предоставляем образцы материалов и изделий на тестирование, консультируем на каждом этапе работы и доставляем во все регионы страны.

ПРИМЕРЫ РЕАЛИЗОВАННЫХ ПРОЕКТОВ

Форма быстрого заказа

ПЛЮСЫ НАШЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 

Консультация

Менеджеры компании помогут выбрать идеальный для ваших целей и потребностей полимерный материал.

Производственные мощности

Более 2 000 м² рабочего пространства, оснащенного различными станками с ЧПУ: 7 методов производства.

Работаем строго по ТЗ

Следуем ТЗ клиента. Производим изделия по его требованиям и пожеланиям. Согласовываем все решения.

Можем сделать доработку

Доработаем любое изделие по ТЗ и чертежам клиента. Произведем любую модификацию по его требованиям.

Точное копирование образца

Произведем изделие строго по образцу клиента. Самостоятельно разработаем чертеж и подберем материалы.

Тестовый образец изделия

Производим тестовый образец, корректируем после комментариев клиента. Исключаем брак.

  

КЛИЕНТЫ И ПАРТНЕРЫ

Наши постоянные клиенты на протяжении многих лет доверяют нам реализацию своих проектов. Мы дорожим нашими партнерскими отношениями, стараемся не сбавлять обороты и каждый раз создаем продукцию высшего качества.

Лопасти из высококачественного инженерного пластика дают возможность производить установки, именуемые источниками альтернативной энергии. Элементы вращающихся с определенной скоростью компонентов для ветрогенератора играют важную роль в реализации энергосберегающих технологий.

КАКИЕ ПЛЮСЫ ЕСЛИ ЛОПАСТЬ ПЛАСТИКОВАЯ?

Сегодня дешевые и простые в изготовлении пластиковые детали – отличаются стремительно растущим спросом среди производителей современной климатической техники, ресурсодобывающего оборудования, двигателей для авиационного, морского и автомобильного транспорта. По сравнению со своими металлическими «предшественниками» имеют ряд неопровержимых положительных характеристик:

  • устойчивость к температурным колебаниям;
  • легкий вес;
  • долговечность;
  • прочность;
  • стойкость к возникновению коррозионного налета.

Высокая амплитуда вращения, которую развивает в силу своей небольшой массы каждая лопасть винта, существенно ускоряет все производственные процессы и увеличивает продуктивность работы двигателей. Таким образом, устаревшие медленно курсирующие поезда и баржи удается сменить на высокоскоростные бесшумные наземные и водные транспортные средства.

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ЛОПАСТЕЙ ИЗ ПЛАСТИКА

На первых этапах изготовления деталей разрабатываются точные проектные документы, отражающие определенные параметры, особенности конфигурации, место установки и технические характеристики, что должны быть присущи лопастям насосных, вентиляционных установок в электродвигателях. Путем применения фрезеровочного инструмента станка ЧПУ осуществляется вырезание с последующей шлифовкой лопастей:

  • барабанов;
  • пропеллеров;
  • роторов;
  • турбин.

Ремонт высоковольтного оборудования обойдется в разы дешевле и результативнее, если детали вращающих компонентов заменить на пластиковые лопасти.

В компании «Система обрабатывающий центр» можно по доступной стоимости заказать производство лопастей вращающихся компонентов турбины, насоса, двигателей мореходных судов, вентиляционного оборудования. Наши специалисты подготавливают профессиональные чертежи и учитывают все пожелания и требования клиента.

Лопасти для ветрогенератора

Интерес к использованию альтернативных источников электроэнергии постоянно растёт. В ряде случаев возможно и целесообразно использовать для этих целей энергию ветра. Но приспособить в качестве генератора имеющийся асинхронный двигатель – это только часть проблемы. Ибо требуется ещё оптимально спрофилировать лопасти движителя. Специалистам по турбоэнергетике или поршневым самолётам решить эту задачу, естественно, проще – этому их учили в институтах. Остальным же следует знать, что неверно разработанный профиль винта  ветродвигателя «украдёт» у него немалую толику мощности, поскольку часть давления ветра будет бесполезно путаться в неграмотно изготовленных лопастях.

Как определить фактическую мощность ветрогенератора

Зная усреднённую за несколько лет скорость ветра в данной местности можно установить этот показатель и самостоятельно. В дальнейшем именно он определит, какие лопасти для ветрогенератора потребуются, их количество и длину. Для конкретного случая скорости ветра в 4м/с (усредненная скорость ветра) данные параметры приведены в таблице:

Сообразуясь с примерными габаритами ветрогенератора и местом его установки, можно установить и диаметр круга вращения лопастей.

Выбор материала лопастей и их профиля

Аэродинамической трубы в распоряжении умельцев, скорее всего, нет, поэтому придётся поверить в то, что оптимальная форма

лопасти для ветрогенератора значительно увеличит его кпд. Проблема непростая, но решаемая. Наиболее точно профиль лопасти может быть спроектирован по программе, которую можно найти вот здесь http://seiger. pp.ua/match/ru/. В результате расчётов будет получен так называемый крыльчатый профиль лопасти, у которой внешняя и внутренняя стороны будут иметь РАЗНУЮ площадь. При этом создаётся перепад давлений, обуславливающий возникновение аэродинамической силы вращения лопастей.

Оптимальные параметры профиля лопастей ветрогенератора  зависят также и от материала, выбранного для их изготовления. Практически возможные варианты – полихлорвиниловая труба, алюминий, стекловолокно.

Рассмотрим особенности получения лопасти из ПВХ-трубы. Шаблон для профиля лопасти представлен на рис. 1.

рис. 1

рис. 2

Дальше всё более-менее просто: по  шаблону вырезается из плотной бумаги необходимый профиль и накладывается на стенку трубы. В зависимости от диаметра трубы из одного её куска можно получить несколько лопастей (см. рис. 2). Труба разрезается при помощи электролобзика, места разрезов и острые края тщательно зашлифовываются.

Более надёжным (но и весьма трудоёмким) является процесс изготовления лопастей из стекловолокна. Оптимальность такого варианта обьясняется наилучшим соотношением прочности получаемой лопасти к её массе. Для изготовления лопасти для ветрогенератора потребуется изготовить деревянную матрицу (её профили шаблона приведены на рис.3). Такая лопасть будет состоять из двух частей. Матрицу натирают воском, наносят на её рабочую поверхность слой эпоксидной смолы, на которую укладывают лист стеклоткани. Затем  сразу же наносится новый слой эпоксидной композиции, поверх которого вновь укладывается стеклоткань. В результате должен получиться трёх- четырёхслойный «бутерброд».  В таком положении  конструкция должна сохнуть около суток, после чего половинка лопасти готова. Далее то же самое проделывается и с обратной стороны матрицы. Обе половины лопасти склеиваются между собой эпоксидным клеем.

рис. 3

Наилучшей прочностью как на разрыв, так и на изгиб, будут обладать лопасти, изготовленные из алюминия. Однако такие лопасти будут массивнее, а, следовательно, и более инерционными. Их профили представлены на рис. 4 и 5. В качестве шаблона для изготовления лопастей удобно принять лист фанеры (см. рис.6).

рис. 4

рис. 5

рис. 6

Балансировка лопастей для ветрогенератора

Для исключения биения лопастей ветрогенератора при их вращении необходимо выполнить их балансировку. Потребуется несложный стенд, который необходимо установить в просторном и закрытом помещении, в котором отсутствуют сквозняки.

Внешний вид такого стенда приведен на рис. 7. Суть и смысл балансировки заключается в том, чтобы при свободном вращении лопастей в сборе, колесо всегда останавливалось в произвольном положении: это будет означать, что масса конструкции, находящаяся вверху оси вращения, равна массе, находящейся внизу этой оси. Проворот колеса обычно выполняют вручную, так, чтобы угловая скорость вращения позволяла лопасти для ветрогенератора вращаться не менее минуты. В противном случае необходимо облегчить ту часть колеса, которая после остановки оказывается внизу.

рис. 7

В заключение отметим, что в Интернете имеется достаточно предложений по заказу и продаже готовых ветрогенераторов. Приводим некоторые из доступных ссылок:

  • electroveter.ru;
  • windturbines.ru;
  • windgen.ru;

Видео с рассказом о тонкостях изготовления лопастей для ветрогенератора

В Шахтах разработали уникальный вертикальный ветрогенератор

В Шахтах разработали уникальный вертикальный ветрогенератор

Магистрант Шахтинского филиала ДГТУ Владислав Шарабур предложил оригинальную конструкцию ветрогенератора с вертикальной осью вращения для выработки электрического тока. Уникальная разработка обладает улучшенными шумовыми характеристиками, высокой ремонтопригодностью и низкой стоимостью эксплуатации и может заменить существующие зарубежные и отечественные аналоги.

Особенность конструкции заключается в специальном размещении ограничителей поворота каждой лопасти ветрогенератора, ударяясь о которые воздушный поток создает давление и вращает ротор, вырабатывающий электрический ток.

– При движении лопастей в обратном направлении крылья ветрогенератора стремятся повернуться перпендикулярно направлению ветра, препятствуя воздушному потоку, – пояснил автор разработки, магистрант кафедры «Строительство и техносферная безопасность» ИСОиП (филиала) ДГТУ в г. Шахты Владислав Шарабур. – Мы разместили ограничители поворота каждой лопасти таким образом, чтобы они не мешали прохождению воздуха. Для исключения нежелательных колебаний при работе ветрогенератора поворотные лопасти связаны между собой шарнирными тягами.

Инновационная конструкция обладает увеличенным ресурсом работы при малых скоростях вращения элементов ветрогенератора. Такое оборудование имеет небольшие размеры ветряного колеса: высота – 1 м, диаметр – 0,6 м. Его мощность составляет до 200 Вт при скорости ветра более 1,2 м/с.

– Зарубежные и отечественные аналоги с такой же мощностью имеют размеры ветроколеса на 25-30% больше, а, как известно, чем длиннее лопасти, тем сильнее нагрузка и меньше срок службы ветрогенератора, – рассказал Владислав.

Область применения ветрогенераторов довольно обширна – оборудование необходимо в местах, где подключение к существующим электрическим сетям или доставка дизельного топлива обходится дорого. Как отмечает разработчик, свою инновацию он планирует использовать в сельском хозяйстве. Например, уникальное оборудование будет полезно при управлении заслонками в водоканалах (энергию ветрогенератора можно будет использовать для поднятия и опускания заслонок).

– Традиционные источники энергии экологически небезопасны, при этом они непрерывно потребляют различные виды топлива, запасы которого не безграничны. Ветрогенераторы могут способствовать решению проблем экологии и дефицита электроэнергии в мире, – отметил инноватор.

Владислав Шарабур ведет разработки под руководством доцента кафедры «Технические системы ЖКХ и сферы услуг» ИСОиП (филиала) ДГТУ в г. Шахты Михаила Лемешко совместно с магистрантом Павлом Чаплиным.

Разработчики изготовили и провели испытания моделей ветрогенераторов с вертикальным валом вращения и подали заявку на выдачу патента. В будущем команда ДГТУ планирует вывести свою инновационную продукцию на рынок.

Ветряк своими руками. Расчет мощности, схемы и конструкция на портале Сделай сам

В настоящее время на фоне высокого внимания к проблематике энергосбережения и ограниченности ресурсной базы инновационное ветрогенераторное оборудование получило широкую популярность и распространение.

Виды ветрогенераторов

Такое оборудование обладает широкими вариантами конструкции. В основном он подразделяется на разнообразные типы в зависимости:

  • От числа лопастей (модели от одной до пятидесяти и более),
  • Стройматериалов изготовления (жесткие лопасти и парусные варианты),
  • Размещения вращательной оси (горизонтальные и вертикальные модели),
  • Шага винта (с меняющимся и фиксированным шагом).

Расчет мощности ветряка

Мощность устройства имеет относительное значение. Она будет непостоянной, и находиться под воздействием скорости ветра. При ветреной погоде – производительность ветрогенератора будет выше, а при штиле маленькой. Для множества конструкций универсальной мощностью считается скорость от 8 м/с, что соответствует значительным порывам ветра. Это значит, что оборудование с нагрузкой 1 кВт будет производить такой же объем электроэнергии при скорости ветра в 8 м/с. Также мощность находится в прямой зависимости от размера ветряного колеса и высоты мачты.

Конструкция ветряка

Конструктивные особенности ветрогенератора включают несколько элементов, основные из которых само оборудование и мачта. Механизм включает в себя несколько составных компонентов:

  • колесо с лопастями, вращаемые ветром и передающие крутящий момент на вал генерирующего устройства через специальный преобразователь,
  • инвертирующий элемент – осуществляет функцию трансформации полученного постоянного тока в переменный,
  • аккумулирующий механизм, который необходим для подачи в электросеть напряжения при отсутствии ветряной погоды,
  • поворотный вал и токоприемник, установленный на раме.

Схемы

Схемы ветрогенератора необходимы для того, чтобы разработчики и простые люди могли понять главный принцип работы устройства и конструктивные особенности разнообразных моделей.

Делаем ветряк своими руками

1. Лопасти для ветряка

Ветряное колесо представляет собой самый значимый элемент конструкции устройства. Он осуществляет преобразование силы ветра в механическую энергию. Таким образом, от его строения зависит подбор всех остальных элементов.

Наиболее распространенных и эффективные типы лопастей  – парусное и крыльчатое. Для изготовления первого варианта необходимо зафиксировать на оси лист материала, разместив под углом к ветряному потоку. Однако при вращательных движениях такая лопасть будет обладать значительным аэродинамическим противодействием. К тому же оно будет увеличиваться с возрастанием атакующего угла, что снижает эффективность их функционирования.

С более высокой продуктивностью работает второй тип лопастей – крыльчатые. По своим очертаниям они походят на крыло самолета, а издержки силы трения сведены к минимальным значениям. Такой тип ветряного движка обладает высоким коэффициентом использования энергии ветра при низких затратах материалов.

Лопасти можно изготовить из пластмассы или пластиковой трубы, поскольку она будет более продуктивна по сравнению с древесиной. Наиболее эффективной является структура ветряного колеса с диаметром в два метра и шестью лопастями.

2. Генератор для ветряка

Наиболее приемлемым вариантом для ветрогенерирующего оборудования является преобразующий асинхронный генерирующий механизм с переменным током. Его основными преимуществами являются невысокая стоимость, легкость приобретения и широта распространения моделей, возможность переоборудования и замечательное функционирование на низких оборотах.

Он может быть трансформирован в генератор с постоянными магнитами. Исследования показали, что такое устройство может эксплуатироваться на маленьких скоростях, но при этом быстро теряет эффективность на ее высоких значениях.

3. Крепление для ветряка

Для фиксации лопастей к обшивке генератора необходимо применить головку ветродвигателя, представляющую собой стальной диск с толщиной до 10 мм. К нему привариваются шесть металлических полосок с отверстиями для закрепления к ним лопастей. Сам диск прикрепляется к генерирующему механизму с использованием болтиков с контргайками.

Так как генерирующее устройство способно выдерживать максимальные нагрузки, в том числе и от гироскопических сил, его нужно крепко закрепить. На устройстве генератор устанавливается с одной стороны, для этого вал нужно соединить с корпусом, который выглядит как стальной элемент с резьбовыми отверстиями для накручивания на ось генератора такого же диаметра.

Для производства опорной рамы ветрогенерирующего оборудования, на которой будут размещаться все остальные элементы, необходимо применить металлическую пластину с толщиной до 10 мм или кусок балки таких же размеров.

4. Поворотный узел ветрогенератора

Поворотный механизм обеспечивает вращательные движения ветряка вокруг вертикальной оси. Таким образом, он дает возможность поворачиваться устройству по направлению ветра. Для его изготовления лучше воспользоваться роликоподшипниками, которые более эффективно воспринимают осевые нагрузки.

5. Приемник тока

Токоприемник функционирует для обеспечения снижения вероятности перекручивания и обрыва проводов, идущих от генератора на ветряке. Он содержит в своей конструкции втулку, произведенную из изоляционной материи, контактов и щеточек. Для создания защищенности от погодных явлений контактные узлы приемника тока должны быть закрытыми.

Установка генератора

Производить монтаж оборудования необходимо на некотором удалении от построек и жилых домов, а также на свободном пространстве. Важно принять во внимание плотность земляного грунта, поскольку она крайне значима для подбора стройматериала и размера клинков для растяжек мачты. Если почва мягкая, то клин должен быть длиннее и крепче, с повышением твердости грунта – твердость материала его изготовления так же должна повышаться.

Крепления растяжек необходимо фиксировать бетонным раствором, поскольку плотность почвы может с течением времени или после дождя поменяться. В настоящее время для типовых устройств используется четырех точечная система крепления на растяжках. Мачту нужно зафиксировать на центральной основе из бетона, с использованием плиты стали и кронштейна.

Для защиты механизма от сильных погодных явлений используется крайне обычная, но результативная конструкция – боковая лопата. Она совместно с ветряным колесом берет на себя весь напор ветра, и компенсируется пружинной спиралью.

Уход за оборудованием

Для полноценного функционирования оборудования необходимо осуществлять правильное и эффективное обслуживание:

  • Спустя полмесяца после монтажа опустить устройство при небольшом ветре и осуществить проверку креплений,
  • Ежегодно проводить смазку подшипников поворотного узла и генераторного оборудования,
  • При возникновении симптомов разбалансирования ветряного колеса его необходимо спустить и устранить все дефекты,
  • Ежегодно осуществлять проверку щетки теплоприемника,
  • Проводить окраску всех металлических элементов ветрогенератора каждые два года.

Срок окупаемости

Ветряные установки окупаются в среднесрочной перспективе. Наибольшую выгоду от них можно получить в сахалинском и камчатском регионе, где они окупится уже через 8 лет. В других же регионах Дальнего Востока этот срок будет равен 10-12 годам. Такой тип получения электроэнергии будет рентабелен при соблюдении следующих условий: наличия постоянных ветров, соответствие производительности требованиям собственника и рациональной эксплуатации.

Ветрогенератор | Полезное своими руками

Я хочу предложить читателям интересное на мой взгляд и полезное устройство – портативную ветроэлектростанцию.

В летнее время я с семьей часто отдыхаю на берегу моря. Каждому понятно, что отдых становится значительно комфортабельней, если есть источник электроэнергии.

После изготовления ветряка отпала необходимость в экономии бортовой сети автомобиля, появилась возможность постоянно пользоваться магнитолой, освещением, телевизором, а во время даже небольшого ветра – автомобильным холодильником.

Мною были изготовлены несколько вариантов ветряных генераторов. В одной из конструкций я даже задействовал шаговый двигатель из поломанного сканера. Однако, могу со всей ответственностью заявить, что вариант, предлагаемый здесь – наиболее прост и доступен.

Изготовление самодельного ветряка (чертеж ветрогенератора)

В качестве генератора, основного агрегата любой электростанции, используется электродвигатель постоянного тока (U = 48В, I = 15А, n = 1200 об/мин). Ротор вращается с частотой менее 500 об/мин, причем по мере усиления ветра обороты не возрастают, а увеличивается ток заряда. На валу генератора установлена цепная звездочка (Z=10) от велосипедного двигателя Д-6. Ведомая звездочка (Z=48) и весь кареточный узел взяты от взрослого велосипеда.

Раму пришлось распилить и придать ей нужную форму, а потом заварить. Генератор крепится к раме при помощи болтов М8. Роликовую цепь с шагом 12,7 мм перед установкой нужно прокипятить несколько минут в моторном масле, а затем вытереть ветошью. Лучше использовать цепь от мотоцикла: ее срок службы значительно дольше. Вал каретки я выточил новый, более длинный. При сборке кареточного узла необходимо смазать подшипники смазкой Литол-24 или ЦИАТИМ. Затем на вал навинчивается до упора гайка М16, надевается фланец (рис.3) и зажимается другой гайкой. К фланцу восемью болтами М6 крепится диск (рис.4) таким образом, чтобы выступ фланца на 40 мм вошел в отверстие диска.

Фланец изготавливается следующим образом: на токарном станке из стали вытачивается диск (рис.3, поз.1), затем головка торцевого ключа на 24 отрезается со стороны держателя по высоте до 20 мм, обе эти детали совмещаются друг с другом соосно и привариваются.

В таком случае, если будут использоваться только две лопасти, диск и фланец можно заменить стальной пластиной (рис.1, поз.3). Лопасти изготавливаются из дюралюминия толщиной 2 мм. После изготовления им необходимо придать дугообразную форму. Для этого лопасть надо положить на что-то круглое (например, трубу диаметром 800 мм и длиной не менее 800 мм) и согнуть по линии, показанной на чертеже. Затем лопасть при помощи шести шурупов крепится к деревянной спице, которая делается из струганного деревянного бруска 36х55х500 мм.

Спицы, в свою очередь (при помощи двух болтов М8 каждая), присоединяются к диску или пластине.

Для использования слабого ветра, 5-8 м/с, у меня сделано шесть одинаковых лопастей. При сильном ветре советую использовать только две. Но даже и при небольшом ветре с двумя лопастями ветряк дает ток 4-6 А при напряжении 14 В. В принципе, можно уменьшить длину лопастей до 80 см.

К нижней части рамы приварен штырь (кусок трубы длиной 120-150 мм), который с небольшим зазором входит в трубу-мачту. Перед монтажом его необходимо смазать и проложить латунную шайбу, на которой весь узел будет легко вращаться в горизонтальной плоскости и при помощи съемного стабилизатора становиться против ветра. Мачта длиной 3-3,5 м изготовлена из водопроводной трубы ∅34 мм (не менее). К нижней части мачты, с торца трубы, приварена опорная площадка (S 2-3 дм²), к которой, в свою очередь, приварен штырь длиной 150 мм и ∅12-15 мм. При установке мачты штырь просто втыкается в землю.

На расстоянии 1 м от верхнего конца трубы-мачты, по ее окружности, я приварил четыре гайки М10 для крепления растяжек. Мачту лучше изготовить из двух частей – для удобства перевозки на багажнике легкового автомобиля. В стационарных условиях ее можно изготовить и из другого материала, и более длинную. Несколько слов о пульте контроля и зарядки аккумулятора. В него входят амперметр и вольтметр постоянного тока любого типа, но лучше небольших размеров. Амперметр на максимальный ток 20-30 А, вольтметр на 15-30 В (из расчета того, что бортовая сеть автомобиля – 12 В).

Развязывающий диод – любого типа на ток 20 А. В качестве реостата можно использовать проволочное сопротивление типа ППБ-50Г на 5-10 0м, 50 Вт с доработкой: с левого края нужно снять несколько витков провода, чтобы в рабочем положении цепь разрывалась.

Можно использовать и любой другой резистор, выдерживающий ток 20 А в течение нескольких секунд. А нужно это вот зачем: если аккумулятор заряжен полностью и напряжение на нем достигло 14-14,5 В, то резистором в течение трех секунд закорачиваем генератор и тем самым останавливаем его, ток при этом в 3-4 раза меньше рабочего. Можно затем одну из лопастей привязать к мачте.

Закорачивать генератор резко нельзя, так как может произойти поломка механизма. Вручную, даже при среднем ветре, за лопасть останавливать очень опасно.

Уменьшать этим резистором ток заряда тоже нельзя, так как он выгорит через несколько десятков секунд. Ток заряда можно уменьшить путем добавления количества включенных в розетку ламп. Токоведущий провод – любой мягкий кабель (лучше обрезиненный) сечением 3-4 мм², который пропущен внутри трубы мачты.

Ветряк: электроэнергия из воздуха своими руками | ENARGYS.RU

Многие умельцы, особенно живущие в сельской местности, привлекают на свою службу возобновляемые источники энергии, а именно ветровые электроустановки.

Покупка промышленной ветрогенераторной установки выльется в довольно ощутимую копеечку, поэтому используя старую технику можно создать довольно приличный ветрогенератор.

Основная проблема заключается в получении номинальных электрических параметров, для этого устройство должно обладать высокой скоростью вращения.

Как сделать ветряк своими руками

В качестве генератора для ветряка своими руками используется отслуживший свой срок, генератор от сельскохозяйственной техники: с комбайна, трактора, автомобиля, скорость вращения в этих генераторах будет от 3 до 7 тыс. об/мин.

На практике оказывается, что ветроколесо роторного типа вертикального расположения может развить скорость примерно 60 об/мин, горизонтальное расположение вентиляторного трехлопастного колеса с горизонтальным расположением при скорости ветра достигает 300 об/мин.

Для того чтобы как сделать ветряк своими руками и достичь эффективной работы генератора рекомендуется применить мультипликатор (редуктор), существует несколько нюансов по применению редукторов.

  1. Часть ветровой энергии уходит на потери в самом редукторе, поэтому его КПД не превышает 40%.
  2. Для повышения скорости вращения генератора, повышается крутящий момент, чтобы это сделать надо повысить скорость выходного вала, добавив шестерни, что чревато понижением крутящего момента.

Формула этой зависимости выглядит так: Мв = К*(Ммс), где:
К – передаточное число;
Мс – момент сопротивления;
Мм – момент мультипликатора.

Из этой формулы следует что идеальным будет отсутствие мультипликатора. К сожалению, при изготовлении ветрогенератора своими руками от него невозможно отказаться.

Для мощного ветряка, сделанного своими руками, в качестве генератора также можно применить асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (Рн = 5,5 кВт; n = 960 об/мин; Uн = 380/220 В).

Для мультипликатора можно взять редуктор от автомобиля, станка и т. д. главное, чтобы передаточное число (К) редуктора было = 5.

Лопасти ветрогенератора изготавливаются из стальной трубы, разрезанной по вдоль на четыре части, можно использовать самодельный профиль из пропитанной эпоксидной смолойстеклоткани, идеальны боковые вертолетные лопасти от МИ-24.

Рис № 1. Вертикальный ветряк своими руками, чертеж.

Для того чтобы асинхронный двигатель заработал в генераторном режиме, раскрутим двигатель до появления на его обмотках ЭДС. Затем необходимо поднять амплитуду фазного напряжения до 310 В при помощи резонансного явления, для этого к фазным обмоткам подключим конденсаторы, емкость конденсатора определяется по формуле С = 1/98696 х Lф, где Lф – индуктивность фазной обмотки, двигатель с вышеперечисленными характеристиками Lф – 120 мГн подставляем в формулу и получаем С = 1/98696 х 0,12 = 84мкФ, можно использовать конденсатор на 100 мКф.

Конденсатор можно использовать типа КБГ-МН или других типов, но с напряжением до 400 В, конденсаторную батарею лучше поместить в изолированный корпус.

Рис №2. Внешний вид простейшего ветрогенератора с применением асинхронного двигателя.

Преимущества генератора для ветряка своими руками, построенного на основе асинхронного двигателя:

  1. Невысокий клифактор (коэффициент гармоник) он не более 2%, что обуславливает высокий КПД и выработку только полезной энергии.
  2. Отсутствие вращающихся обмоток и чувствительных к воздействию извне электронных деталей.
  3. Длительный срок службы.
  4. Выходное значение напряжения 220/380 В благодаря этому, нагрузку можно подключить напрямую от устройства, исключив инвертор.
  5. Асинхронный генератор лучше защищен от влаги и загрязнений, имеет лучшую защиту от токов короткого замыкания и перегрузкам.

Рис №3. Схема подключения.

Максимальная простота и надежность устройства ветряка для дома своими руками достигается за счет размещения вала ветрового двигателя напрямую с валом генератора, а скорость вращения не должна превышать 120 – 150 об/мин при этом желательно чтобы не было тормозящих и стабилизирующих скорость вращения устройств и обмоток возбуждения.

Кроме, использования асинхронного двигателя в прямом качестве его можно переделать и применить в качестве турбины на его базе, в этом случае ротор двигателя растачивается. Электродвигатель марки АИР71А4, Р – 0,55Квт на 1360 об/мин с 4 полюсами, 3-х фазный, имеющий ротор с Ø 66. 7 мм после проточки становиться 56 мм, на каждый полюс наклеиваются магниты по 40 штук, ротор герметизируется и заливается эпоксидной смолой.

Рис №4. Внешней вид расточенного ротора асинхронного двигателя с наклеенными магнитами.

Накопление энергии производится при помощи аккумуляторных батарей и инверторами под контролем электронных коммутаторов.

При изготовлении вертикального ветряка своими руками желательно использовать подпружиненные упоры лопастей, которые смогут противодействовать ураганному ветру, то есть просто станут по ветру, без создания сопротивления. По окончании урагана надо будет только провернуть вал ветродвигателя до момента вращения лопастей под воздействием ветра.

Рис №5. Схема соединений и порядок сборки вертикального ветрогенератора.

(PDF) CAD-модели лопастей ветряных турбин, используемые в качестве техники строительных лесов для обучения инженеров-проектировщиков

Журнал Engineering Design Graphics (EDGJ) Авторское право 2013 г. 77, No. 2 ISSN: 1949-9167

http://www.edgj.org

______________________________________________________________________

17

Ссылки

Dewey, John. (1938). Опыт и образование. Нью-Йорк: Макмиллан.

Ирвин, Дж. Л.(2009). Проектирование ветряных турбин с горизонтальным и вертикальным осевым потоком и производство

, Труды Ассоциации технологий, менеджмента и конференции

Applied Engineering 2009. (стр. 1-9) Луисвилл, Кентукки.

Ирвин, Дж. Л. (2011). Использование выражений для разработки моделей параметрических лопастей ветряных турбин

, Материалы конференции пользователей Америки, 2011 г. Siemens PLM

Connection, Лас-Вегас, Невада.

Ленц, Э. (2005). Ленц2 Турбина.Получено 27 января 2009 г. с

http://www.windstuffnow.com/main/lenz2_turbine.htm

Piggott, H. (2005). Как построить ветряк. Скорейг, Великобритания: Scoraig Wind Electric.

Пауэлл К. и Калина К. (2009). Когнитивный и социальный конструктивизм: разработка инструментов для эффективной работы в классе. Образование, Том 130, № 2, стр 141-151. Доступно по адресу:

http://www.edpsycinteractive.org/articles/2009-powell-kalina-cognitive-and-social-

конструктивизм.pdf

Роджерс, А. (2008). Энергия ветра: турбины с вертикальной осью лучше? Вопросы и ответы с экспертом Wind

Майком Сагрилло. Новости Матери-Земли. Получено 4 февраля 2009 г. с:

http://www.motherearthnews.com/Renewable-Energy/2008-02-01/Wind-Power-

Horizontal-and-Vertical-Axis-Wind-Turbines.aspx

Сэмюэл С., Прагада А., Стивенсон Б. и Уикс Э. (2010). От базового до продвинутого

NX7.5 Моделирование, черчение и сборки: проектно-ориентированное учебное пособие.

Сан-Хосе, Калифорния: Провидцы дизайна.

Благодарности

Эти оригинальные модели САПР для HAWT были созданы студентами старшего курса

Мичиганского технологического института МЕТ Полом Аудидже, Алисией Хеменгер и Стивеном Спалдингом, а для

VAWT Кайлом Питерсом, Тайлером Бейром и Джимом Крамером.

______________________________________________________________________

Об авторе

Джон Ирвин — адъюнкт-профессор и заведующий кафедрой технологии машиностроения в Технологической школе

Мичиганского технологического университета.Его области знаний включают в себя проектирование зажимных приспособлений, приспособлений и калибров

; проектирование и изготовление камер моделирования окружающей среды и кондиционеров для

локомотивов и транспортных единиц; а также проектирование и испытания жилых систем турбины генератора переменного тока с осевым потоком

. Доктор Ирвин также является адъюнкт-профессором когнитивных и обучающих наук.

Электронная почта: [email protected]

Ветряная турбина с горизонтальной осью – обзор

2.05.4.1 Ветряная турбина с горизонтальной осью

Оси вращения HAWT горизонтальны по отношению к земле и почти параллельны потоку ветра.Большинство современных коммерческих ветряных турбин относятся к категории HAWT (, рис. 18, ).

Рис. 18. Оффшорная ветряная электростанция с тремя лопастными ветряными турбинами с горизонтальной осью.

Получено 1 ноября 2011 г. с http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine, © Hans Hillewaert, http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/

Показаны конструктивные особенности типичного HAWT. в Рисунок 19 . HAWT работают преимущественно по принципу подъема. Когда поток ветра взаимодействует с лопастями несущего винта, создается подъемная сила, как объяснялось в предыдущем разделе, заставляющая ротор вращаться.Скорость вращения зависит от конструктивных особенностей и размера ротора. Для типичной турбины мощностью МВт она может составлять всего 16 об/мин [5]. Тихоходный главный вал передает это вращение быстроходному валу через редуктор (существуют и безредукторные турбины, не имеющие редуктора в трансмиссии). Скорость увеличивается за счет зубчатых передач, чтобы соответствовать требованиям более высокой скорости генератора. Затем генератор преобразует механическую энергию в электрическую. Между ними находится ряд систем управления для выравнивания рыскания, регулирования мощности и безопасности. Подробное описание этих систем и принципов их работы включено в последующие главы.

Рис. 19. Вид в разрезе ГАВТ.

Количество лопастей ротора в HAWT варьируется в зависимости от применения, для которого они используются, и режимов ветра, при которых они должны работать. В зависимости от количества лопастей роторы HAWT можно разделить на однолопастные, двухлопастные, трехлопастные и многолопастные.Некоторые из этих классификаций показаны на рис. 20 .

Рис. 20. Однолопастная (а), двухлопастная (б) и многолопастная (в) турбины.

Получено 1 ноября 2011 г. с http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbines_design. Источник: (а) Витерна, (б) НАСА и (в) Томас Конлон, Iron Man Windmill Co. Ltd., http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/.

Основным преимуществом однолопастного ротора является экономия материалов для лопастей, что делает их сравнительно более дешевыми. Следует отметить, что на ротор приходится 20–30 % стоимости современного ветродвигателя.Кроме того, поскольку площадь лопасти, подвергающаяся воздействию потока, будет минимальной для однолопастных конструкций, потери на сопротивление поверхности лопасти также будут ниже. Однолопастные конструкции не очень популярны из-за проблем с балансировкой и визуальной приемлемостью. Двухлопастные винты также имеют эти недостатки, но в меньшей степени. Большинство современных ветряных турбин, используемых для выработки электроэнергии, имеют роторы с тремя лопастями. Схема нагрузки для этих роторов относительно однородна, и они визуально более приемлемы.

Также доступны ветряные турбины с большим количеством лопастей ротора (скажем, 6, 8, 12, 18 или даже больше), которые обычно используются для определенных целей, таких как перекачка воды. Например, ветряная система перекачки воды с поршневыми насосами требует высокого пускового момента для преодоления начальной нагрузки, создаваемой водяным столбом на поршне. Для таких систем требуемый пусковой момент в 3–4 раза превышает требуемый рабочий крутящий момент [13]. Поскольку начальный крутящий момент увеличивается с плотностью (соотношение между фактической площадью лопастей и рабочей площадью ротора), для таких применений предпочтительны роторы с большим количеством лопастей (высокая прочность).Однако роторы с высокой прочностью работают при низких скоростях вращения и, следовательно, не рекомендуются для ветряных электрогенераторов. Точно так же их эффективность также будет ниже, поскольку аэродинамические потери увеличиваются с увеличением плотности.

Кроме того, HAWT может иметь несущие винты как против ветра, так и против ветра. Ротор напорной турбины закреплен перед агрегатом, прямо напротив набегающего потока ветра ( рис. 21 ). Напротив, у турбин с подветренной стороны роторы расположены сзади, поэтому гондола сначала обращена к ветру.Основным преимуществом роторов против ветра является то, что они не страдают от эффекта тени башни. Однако роторы против ветра должны быть размещены на некотором расстоянии от башни, и необходим механизм рыскания, чтобы ротор всегда был обращен к ветру. С другой стороны, машины с подветренной стороны более гибкие и могут не требовать механизма рыскания. Это делает эти конструкции относительно дешевле. Но, поскольку роторы расположены с подветренной стороны башни (см. рис. 21 ), нагрузка на лопасти может быть неравномерной, когда они проходят через тень башни.

Рис. 21. Турбины против и против ветра.

Существует несколько аэродинамических теорий, выдвинутых для определения характеристик HAWT. Некоторыми из основных теорий являются теория осевого импульса, теория элемента лопасти и теория импульса элемента лопасти (BEM). Наиболее широко применяемый аэродинамический анализ для HAWT основан на теории BEM. Подробное обсуждение этих теорий представлено в соответствующей главе этого тома.

HAWT имеют следующие явные преимущества:

Это наиболее стабильная и коммерчески приемлемая конструкция. Сегодня большинство крупных коммерческих ветряных турбин, интегрированных в сеть, работают на трехлопастных конструкциях с горизонтальной осью.

Они имеют относительно более низкую скорость включения ветра и более высокий коэффициент мощности, что обеспечивает более высокую эффективность системы и выход энергии.

Существуют возможности использования более высоких мачт для лучшего использования ветрового потенциала на больших высотах. Это было бы явным преимуществом на участках с сильным сдвигом ветра, где скорость на более высоких уровнях может быть значительно выше.

Угол атаки лучше контролируется за счет изменения шага лопасти. Это приводит к лучшей производительности системы при изменчивых режимах ветра.

Легко закрутить ротор, повернув его против направления ветра.

Однако ГАВТ также имеют некоторые присущие недостатки:

ГАВТ требуют приводов рыскания (или хвостового механизма в случае небольших турбин) для ориентации турбины по ветру.

Тяжелые блоки генератора и редуктора должны быть размещены над высокой башней, что требует более прочной несущей конструкции. Это делает HAWT более сложными и дорогими.

Более высокие башни усложняют и удорожают установку и обслуживание.

Опять же, более высокая высота мачты может сделать HAWT видимой даже с больших расстояний, что может усугубить проблемы, связанные с визуальным воздействием ветряных электростанций.

Грузовики, перевозящие лопасти ветряной турбины Behemoth в Ломпок, привлекают внимание | Местные новости

Поставки массивных лопастей для ветряных турбин в последние дни вызывали вопросы и пересматривались, когда они направлялись к своему будущему дому к юго-западу от Ломпока.

Проект Strauss Wind Energy, дочерняя компания BayWa r.e. Wind, LLC строится на 2970 акрах на хребте у Сан-Мигельтио-Каньон-роуд.

В рамках проекта на площадке будет установлено 29 ветряных генераторов высотой до 492 футов, а также вспомогательные сооружения.

Большие грузы привлекли внимание жителей округа Сан-Луис-Обиспо, когда они недавно направлялись на юг, а также привлекли толпы зрителей, когда они пробирались через Ломпок.

Каждая лопасть генератора ветряной турбины имеет длину 220 футов и изготовлена ​​в основном из стекловолокна.

Эти гигантские лезвия будут перевозиться на специально разработанном грузовике с грузоподъемностью для маневрирования в некоторых областях.

Первый клинок прошёл через Ломпок 24 сентября, а другие прошли через город на следующей неделе.

Массивная лопасть одной из 29 ветряных турбин, предназначенных для установки в каньоне Мигелито недалеко от Ломпока, движется по городу. (Предоставленное фото)

Хотя ветряная электростанция находится за пределами Ломпока, часть маршрута будет проходить через часть города.

Жителей и предприятия предупредили, что в начале декабря запланировано более 200 крупногабаритных грузов.

Эти лезвия будут перевозиться грузовиками в будние дни с 9:00 до 16:00. от West Ocean Avenue до South F Street, до Cypress Avenue, до I Street, до San Miguelito Canyon Road.

Для большинства нагрузок потребуются задержки трафика всего на одну-две минуты.

Некоторые грузы потребуют перекрытия дорог на срок до часа и объездов, как указано на карте маршрутов доставки и карте маршрутов блейдов.

Массивная лопасть одной из 29 ветряных турбин, предназначенных для установки в каньоне Мигелито недалеко от Ломпока, движется по городу. (Предоставленное фото)

Коммерческая ветряная электростанция Strauss будет генерировать около 98 мегаватт или достаточно энергии для ежегодного снабжения электроэнергией около 43 000 домов.

Коммерческая ветряная электростанция планировалась на этом месте более десяти лет и встретила сопротивление со стороны соседей сельского каньона Мигелито и членов Общества Одюбона, обеспокоенных нанесением вреда различным видам птиц.

Strauss создал страницу в Твиттере, доступную по ссылке, чтобы информировать сообщество о поставках через Lompoc.

— С редактором Noozhawk North County Джанин Скалли можно связаться по адресу .(JavaScript должен быть включен для просмотра этого адреса электронной почты). Подписывайтесь на Noozhawk в Твиттере: @noozhawk, @NoozhawkNews и @NoozhawkBiz. Присоединяйтесь к Noozhawk на Facebook.

Дизайн ветряной турбины — 2D-символы

Проектирование ветряной турбины — это процесс определения формы и технических характеристик ветряной турбины для извлечения энергии из ветра. [1] [2] Установка ветряной турбины состоит из необходимых систем, необходимых для улавливания энергии ветра, направления турбины на ветер, преобразования механического вращения в электрическую энергию и других систем для запуска, остановки и управления. турбина.

В этой статье рассматривается конструкция ветряных турбин с горизонтальной осью (HAWT), поскольку эта конструкция используется в большинстве коммерческих турбин.

В 1919 году физик Альберт Бетц показал, что для гипотетической идеальной ветровой машины для извлечения энергии основные законы сохранения массы и энергии допускают не более 16/27 (59.3 %) кинетической энергии ветра, которую нужно уловить. К этому пределу закона Беца можно приблизиться с помощью современных конструкций турбин, которые могут достигать 70–80% этого теоретического предела.

В дополнение к аэродинамическому дизайну лопастей, при проектировании полной ветроэнергетической системы необходимо также учитывать конструкцию ступицы, органов управления, генератора, опорной конструкции и фундамента. Дальнейшие вопросы проектирования возникают при интеграции ветряных турбин в электрические сети.

Аэродинамика

Форма и размеры лопастей ветряной турбины определяются аэродинамическими характеристиками, необходимыми для эффективного извлечения энергии из ветра, и прочностью, необходимой для сопротивления силам, действующим на лопасти.

Аэродинамика ветряной турбины с горизонтальной осью непроста. Воздушный поток на лопатках отличается от воздушного потока вдали от турбины. Сама природа способа извлечения энергии из воздуха также приводит к тому, что воздух отклоняется турбиной. Кроме того, аэродинамика ветряной турбины на поверхности ротора демонстрирует явления, которые редко наблюдаются в других аэродинамических областях.

В 1919 году физик Альберт Бетц показал, что для гипотетической идеальной ветровой машины для извлечения энергии основные законы сохранения массы и энергии допускают не более 16/27 (59.3 %) кинетической энергии ветра, которую нужно уловить. К этому пределу закона Беца можно приблизиться с помощью современных конструкций турбин, которые могут достигать 70–80% этого теоретического предела.

Регулятор мощности

Скорость, с которой вращается ветряная турбина, должна контролироваться для эффективного производства электроэнергии и поддержания компонентов турбины в расчетных пределах скорости и крутящего момента. Центробежная сила на вращающихся лопастях увеличивается пропорционально квадрату скорости вращения, что делает эту конструкцию чувствительной к превышению скорости. Поскольку мощность ветра увеличивается пропорционально кубу скорости ветра, турбины должны быть построены таким образом, чтобы выдерживать гораздо более высокие ветровые нагрузки (например, порывы ветра), чем те, от которых они практически могут генерировать энергию. Ветряные турбины имеют способы снижения крутящего момента при сильном ветре.

Ветряная турбина предназначена для производства энергии в диапазоне скоростей ветра. Скорость включения для большинства турбин составляет около 3–4 м/с, а скорость отключения — 25 м/с. [3] При превышении номинальной скорости ветра необходимо ограничить мощность.Существуют различные способы достижения этого.

Система управления включает три основных элемента: датчики для измерения переменных процесса, приводы для управления улавливанием энергии и загрузкой компонентов, а также алгоритмы управления для координации приводов на основе информации, собранной датчиками. [4]

Все ветряные турбины рассчитаны на максимальную скорость ветра, называемую скоростью выживания, выше которой они будут повреждены. Скорость выживания коммерческих ветряных турбин находится в диапазоне от 40 м/с (144 км/ч, 89 миль/ч) до 72 м/с (259 км/ч, 161 миль/ч).Наиболее распространенная скорость выживания составляет 60 м/с (216 км/ч, 134 мили в час). Некоторые из них были разработаны, чтобы выдерживать скорость 80 метров в секунду (290 км/ч; 180 миль в час). [5]

Прилавок

Опрокидывание работает за счет увеличения угла, под которым относительный ветер ударяет в лопасти (угол атаки), и уменьшает индуктивное сопротивление (сопротивление, связанное с подъемной силой). Остановка проста, потому что ее можно заставить происходить пассивно (она автоматически увеличивается, когда ветер ускоряется), но она увеличивает поперечное сечение лопасти, обращенной к ветру, и, следовательно, обычное сопротивление.Полностью заглохшая лопасть турбины при остановке имеет плоскую сторону лопасти, обращенную прямо к ветру.

HAWT с фиксированной скоростью (ветряная турбина с горизонтальной осью) по своей природе увеличивает угол атаки при более высокой скорости ветра по мере увеличения скорости вращения лопастей. Таким образом, естественная стратегия состоит в том, чтобы позволить лопасти останавливаться при увеличении скорости ветра. Этот метод успешно использовался на многих ранних HAWT. Однако на некоторых из этих наборов лопастей было замечено, что степень шага лопастей имеет тенденцию к увеличению уровня слышимого шума.

Вихревые генераторы могут использоваться для управления подъемными характеристиками лопасти. VG размещаются на аэродинамическом профиле для увеличения подъемной силы, если они размещены на нижней (более плоской) поверхности, или для ограничения максимальной подъемной силы, если они расположены на верхней (более высокий изгиб) поверхности. [6]

Ферлинг

Furling работает за счет уменьшения угла атаки, что уменьшает индуктивное сопротивление от подъемной силы несущего винта, а также поперечное сечение. Одна из основных проблем при проектировании ветряных турбин заключается в том, чтобы заставить лопасти останавливаться или сворачиваться достаточно быстро, если порыв ветра вызывает внезапное ускорение. Кромка полностью свернутой лопасти турбины при остановке обращена к ветру.

Нагрузки можно уменьшить, сделав структурную систему более мягкой или гибкой. [4] Этого можно добиться с помощью несущих винтов, направленных вниз по ветру, или с изогнутыми лопастями, которые естественным образом закручиваются для уменьшения угла атаки при более высоких скоростях ветра. Эти системы будут нелинейными и будут связывать структуру с полем потока, поэтому инструменты проектирования должны развиваться для моделирования этих нелинейностей.

Все стандартные современные турбины закручивают лопасти при сильном ветре.Поскольку закрутка требует противодействия крутящему моменту лопасти, для этого требуется некоторая форма управления углом наклона, что достигается с помощью поворотного привода. Этот привод точно наклоняет отвал, выдерживая высокие крутящие нагрузки. Кроме того, во многих турбинах используются гидравлические системы. Эти системы обычно подпружинены, поэтому в случае отказа гидравлической системы лопасти автоматически складываются. Другие турбины используют электрический серводвигатель для каждой лопасти ротора. Имеют небольшой запас аккумуляторов на случай аварии в электросети.Небольшие ветряные турбины (мощностью менее 50 кВт) с изменяемым шагом обычно используют системы, работающие за счет центробежной силы, за счет маховика или геометрической конструкции, и не используют электрические или гидравлические средства управления.

Существуют фундаментальные пробелы в контроле поля, что ограничивает снижение затрат на электроэнергию, согласно отчету коалиции исследователей из университетов, промышленности и правительства, поддержанного Центром устойчивого будущего Аткинсона. Снижение нагрузки в настоящее время сосредоточено на контроле шага лопастей по всему размаху, поскольку двигатели с индивидуальным шагом являются приводами, доступными в настоящее время на коммерческих турбинах.При моделировании лопастей, башни и трансмиссии было продемонстрировано значительное снижение нагрузки. Тем не менее, все еще необходимы исследования, необходимо разработать методы реализации управления шагом лопасти по всему размаху, чтобы увеличить захват энергии и уменьшить усталостные нагрузки.

Метод управления, применяемый к углу тангажа, осуществляется путем сравнения текущей активной мощности двигателя со значением активной мощности при номинальной частоте вращения двигателя (опорная активная мощность, опорная Ps).Управление углом наклона в этом случае осуществляется с помощью ПИ-регулятора. Однако, чтобы иметь реалистичный отклик на систему управления углом тангажа, актуатор использует постоянную времени Tservo, интегратор и ограничители так, чтобы угол тангажа составлял от 0° до 30° со скоростью изменения (± 10° в секунду).

На рисунке справа эталонный угол наклона сравнивается с фактическим углом наклона b, после чего ошибка корректируется приводом. Опорный угол шага, поступающий от ПИ-регулятора, проходит через ограничитель.Ограничения по пределам очень важны для поддержания угла тангажа в реальном выражении. Ограничение скорости изменения очень важно, особенно во время сбоев в сети. Важность обусловлена ​​тем, что контроллер решает, насколько быстро он может уменьшить аэродинамическую энергию, чтобы избежать ускорения при ошибках. [4]

Прочие элементы управления

Генератор крутящего момента

Современные большие ветряные турбины представляют собой машины с регулируемой скоростью. Когда скорость ветра ниже номинальной, крутящий момент генератора используется для управления скоростью вращения ротора, чтобы получить как можно больше энергии.Наибольшая мощность захватывается, когда передаточное отношение скорости наконечника поддерживается постоянным на оптимальном уровне (обычно 6 или 7). Это означает, что по мере увеличения скорости ветра скорость вращения ротора должна увеличиваться пропорционально. Разница между аэродинамическим крутящим моментом, воспринимаемым лопастями, и приложенным крутящим моментом генератора определяет скорость вращения ротора. Если крутящий момент генератора ниже, ротор ускоряется, а если крутящий момент генератора выше, ротор замедляется. Ниже номинальной скорости ветра управление крутящим моментом генератора активно, в то время как шаг лопастей обычно удерживается под постоянным углом, обеспечивающим получение наибольшей мощности, довольно плоской по отношению к ветру. При скорости ветра выше номинальной крутящий момент генератора обычно поддерживается постоянным, пока активен шаг лопастей.

Одной из технологий управления синхронным двигателем с постоянными магнитами является поле-ориентированное управление. Поле-ориентированное управление представляет собой стратегию замкнутого контура, состоящую из двух регуляторов тока (каскадной конструкции с внутренним контуром и внешним контуром), необходимых для управления крутящим моментом, и одного регулятора скорости.

Контроль угла постоянного крутящего момента

В этой стратегии управления ток по оси d сохраняется равным нулю, в то время как вектор тока совпадает с осью q, чтобы поддерживать угол крутящего момента равным 90 o .Это одна из наиболее часто используемых стратегий управления из-за простоты за счет управления только током Iqs. Итак, теперь уравнение электромагнитного момента синхронного генератора с постоянными магнитами представляет собой просто линейное уравнение, зависящее только от тока Iqs.

Итак, электромагнитный момент для Ids = 0 (мы можем добиться этого с помощью контроллера оси d) теперь:

T E

= 3/2 P (λ PM I QS + (L DS -L qs ) I DS I QS ) = 3/2 P λ PM я qs

Таким образом, полная система преобразователя со стороны машины и каскадных контуров ПИ-регулятора представлена ​​на рисунке справа.При этом у нас есть управляющие входы, которые представляют собой коэффициенты заполнения m ds и m qs преобразователя с ШИМ-регулированием. Кроме того, мы можем увидеть схему управления ветряной турбиной со стороны машины и одновременно то, как мы поддерживаем нуль I ds (уравнение электромагнитного момента линейно).

Рыскание

Современные большие ветряные турбины, как правило, активно регулируются в соответствии с направлением ветра, измеряемым флюгером, расположенным на задней части гондолы. За счет минимизации угла рыскания (несовпадение направления ветра и турбины) выходная мощность максимизируется, а несимметричные нагрузки сводятся к минимуму. Однако, поскольку направление ветра быстро меняется, турбина не будет строго следовать направлению и в среднем будет иметь небольшой угол рыскания. Потери выходной мощности можно просто аппроксимировать как (cos(угол рыскания)) 3 . В частности, при скоростях ветра от низкой до средней рыскание может привести к значительному снижению выходной мощности турбины, при этом колебания направления ветра ± 30 ° довольно распространены, а время реакции турбин на изменения направления ветра велико.При больших скоростях ветра направление ветра менее изменчиво.

Электрический тормоз

Торможение небольшой ветряной турбины можно осуществить путем сброса энергии генератора в батарею резисторов, преобразующую кинетическую энергию вращения турбины в тепло. Этот метод полезен, если кинетическая нагрузка на генератор внезапно уменьшается или слишком мала, чтобы поддерживать скорость турбины в допустимых пределах.

Циклическое торможение приводит к замедлению лопастей, что увеличивает эффект остановки и снижает эффективность лопастей.Таким образом, вращение турбины можно поддерживать на безопасной скорости при более быстром ветре, сохраняя при этом (номинальную) выходную мощность. Этот метод обычно не применяется для крупных ветряных турбин, подключенных к сети.

Механическое торможение

Механический барабанный или дисковый тормоз используется для остановки турбины в аварийных ситуациях, таких как экстремальные порывы ветра или превышение скорости. Этот тормоз является вторичным средством удержания турбины в состоянии покоя для технического обслуживания, а система блокировки ротора является основным средством. Такие тормоза обычно применяются только после того, как закрутка лопастей и электромагнитное торможение снизили скорость турбины, как правило, на 1 или 2 об / мин ротора, поскольку механические тормоза могут вызвать пожар внутри гондолы, если они используются для остановки турбины на полной скорости. Нагрузка на турбину увеличивается, если тормоз применяется при номинальных оборотах. Механические тормоза приводятся в действие гидравлическими системами и связаны с главным блоком управления.

Размер турбины

Существуют ветряные турбины разных размеров. Самые маленькие ветряные турбины мощностью менее 10 кВт используются в домах, на фермах и в отдаленных районах, тогда как промежуточные ветряные турбины (10-250 кВт) полезны для деревенского электроснабжения, гибридных систем и распределенной энергетики. Самая большая в мире ветряная турбина мощностью 8 МВт, расположенная на ветряной электростанции Burbo Bank Extension в Ливерпульском заливе, Великобритания, была установлена ​​в 2016 году. [7] Коммунальные турбины (мощнее одного мегаватта) используются в ветряных электростанциях на центральных станциях, в распределенных электростанциях и ветряных электростанциях. [8]

Человек стоит рядом с лезвиями длиной 15 м.

При заданной скорости ветра масса турбины приблизительно пропорциональна кубу длины ее лопастей. Мощность ветра, перехватываемая турбиной, пропорциональна квадрату длины ее лопасти. [9] Максимальная длина лопасти турбины ограничена как прочностью, жесткостью материала, так и соображениями транспортировки.

Затраты на рабочую силу и техническое обслуживание увеличиваются постепенно с увеличением размера турбины, поэтому для минимизации затрат турбины ветряных электростанций в основном ограничиваются прочностью материалов и требованиями к размещению.

Типичные современные ветряные турбины имеют диаметр от 40 до 90 метров (от 130 до 300 футов) и мощность от 500 кВт до 2 МВт. По состоянию на 2017 год самая мощная турбина Vestas V-164 имеет мощность 9,5 МВт и диаметр ротора 164 метра. [10]

Проектируются все более крупные ветряные турбины, производители еще не приблизились к максимальным размерам.Самые большие турбины были или будут такими же большими, как небоскребы. [11]

Гондола

В гондоле находятся редуктор и генератор, соединяющие башню и ротор. Датчики определяют скорость и направление ветра, а двигатели поворачивают гондолу по ветру, чтобы максимизировать производительность.

Коробка передач

В обычных ветряных турбинах лопасти вращают вал, который через редуктор соединен с генератором. Редуктор преобразует скорость вращения лопастей от 15 до 20 оборотов в минуту для большой турбины мощностью один мегаватт в более быстрые 1800 оборотов в минуту, которые необходимы генератору для выработки электроэнергии. [12] По оценкам аналитиков GlobalData, рынок редукторов вырастет с $3,2 млрд в 2006 г. до $6,9 млрд в 2011 г. и до $8,1 млрд к 2020 г. Лидерами рынка в 2011 г. были Winergy. был изучен как способ снижения затрат на техническое обслуживание ветряных турбин. [14]

Генератор

Для больших промышленных ветряных турбин с горизонтальной осью электрический генератор [15] монтируется в гондоле наверху башни за ступицей ротора турбины.Обычно ветряные турбины вырабатывают электроэнергию с помощью асинхронных машин, которые напрямую подключены к электросети. Обычно скорость вращения ветряной турбины меньше, чем эквивалентная скорость вращения электрической сети: типичные скорости вращения для ветряных генераторов составляют 5–20 об/мин, в то время как напрямую подключенная машина будет иметь электрическую скорость от 750 до 3600 об/мин. Поэтому между ступицей ротора и генератором вставляется редуктор. Это также снижает стоимость и вес генератора.Генераторы коммерческого размера имеют ротор, несущий обмотку возбуждения, так что вращающееся магнитное поле создается внутри набора обмоток, называемого статором. В то время как вращающаяся обмотка возбуждения потребляет долю процента выходной мощности генератора, регулировка тока возбуждения позволяет хорошо контролировать выходное напряжение генератора.

Ветряные генераторы старого типа вращаются с постоянной скоростью, чтобы соответствовать частоте линии электропередачи, что позволило использовать менее дорогие индукционные генераторы. [ citation required ] Новые ветряные турбины часто вращаются с такой скоростью, при которой электричество вырабатывается наиболее эффективно. Изменяющаяся выходная частота и напряжение могут быть согласованы с фиксированными значениями сети с использованием нескольких технологий, таких как асинхронные генераторы с двойным питанием или преобразователи с полным эффектом, где производимый ток переменной частоты преобразуется в постоянный, а затем обратно в переменный. Хотя такие альтернативы требуют дорогостоящего оборудования и приводят к потере мощности, турбина может улавливать значительно большую долю энергии ветра. В некоторых случаях, особенно когда турбины расположены в море, энергия постоянного тока будет передаваться от турбины к центральному (береговому) инвертору для подключения к сети.

Безредукторный ветряк

Безредукторные ветряные турбины (также называемые прямым приводом) полностью избавлены от коробки передач. Вместо этого вал ротора прикреплен непосредственно к генератору, который вращается с той же скоростью, что и лопасти.

Преимущества генераторов PMDD по сравнению с генераторами с зубчатой ​​передачей включают повышенный КПД, пониженный уровень шума, более длительный срок службы, высокий крутящий момент при низких оборотах, более быстрое и точное позиционирование и жесткость привода. Генераторы [16] PMDD «устраняют повышающую скорость шестерню, которая чувствительна к значительному накопленному усталостному крутящему моменту, связанным с этим проблемам надежности и затратам на техническое обслуживание. [17]

Чтобы компенсировать более низкую скорость вращения генератора с прямым приводом, диаметр ротора генератора увеличен, чтобы он мог содержать больше магнитов для создания необходимой частоты и мощности. Безредукторные ветряные турбины часто тяжелее, чем Ветряные турбины на основе зубчатых колес Исследование ЕС под названием «Reliawind» [18] на основе наибольшего размера выборки турбин показало, что надежность редукторов не является основной проблемой ветряных турбин.Надежность турбин с прямым приводом офшорных до сих пор не известно, так как размер выборки очень мал.

По оценкам экспертов Датского технического университета, редукторный генератор с постоянными магнитами может использовать 25 кг/МВт редкоземельного элемента неодима, а безредукторный — 250 кг/МВт. [19]

В декабре 2011 года Министерство энергетики США опубликовало отчет о критической нехватке редкоземельных элементов, таких как неодим, используемых в больших количествах для постоянных магнитов в безредукторных ветряных турбинах. [20] Китай производит более 95% редкоземельных элементов, а Hitachi имеет более 600 патентов на неодимовые магниты.Для турбин с прямым приводом требуется 600 кг материала постоянного магнита на мегаватт, что соответствует нескольким сотням килограммов содержания редкоземельных элементов на мегаватт, поскольку содержание неодима оценивается в 31% веса магнита. Гибридные трансмиссии (промежуточные между прямым приводом и традиционным редуктором) используют значительно меньше редкоземельных материалов. В то время как на ветряные турбины с постоянными магнитами приходится лишь около 5% рынка за пределами Китая, их доля рынка внутри Китая оценивается в 25% или выше.В 2011 году спрос на неодим для ветряных турбин оценивался в 1/5 от спроса на электромобили. [20]

Лезвия

Форма лезвия

Отношение между скоростью кончиков лопастей и скоростью ветра называется коэффициентом скорости кончиков. Высокоэффективные 3-лопастные турбины имеют отношение скорости лопасти к скорости ветра от 6 до 7. Современные ветряные турбины рассчитаны на вращение с различной скоростью (следствие конструкции их генератора, см. выше). Использование алюминия и композитных материалов в их лопастях способствовало низкой инерции вращения, а это означает, что новые ветряные турбины могут быстро разгоняться при усилении ветра, сохраняя передаточное отношение скоростей почти постоянным.Работа, близкая к их оптимальному соотношению скоростей вращения во время энергичных порывов ветра, позволяет ветряным турбинам улучшить улавливание энергии внезапных порывов, типичных для городских условий.

Напротив, ветряные турбины более старого типа были разработаны с более тяжелыми стальными лопастями, которые имеют более высокую инерцию и вращаются со скоростью, регулируемой частотой переменного тока в линиях электропередач. Высокая инерция сглаживала изменения скорости вращения и, таким образом, делала выходную мощность более стабильной.

Общеизвестно, что шум увеличивается с увеличением скорости вращения лопасти.Увеличение скорости наконечника без увеличения шума позволило бы снизить крутящий момент в редукторе и генераторе и снизить общую нагрузку на конструкцию, тем самым снизив стоимость. [4] Снижение шума связано с детальной аэродинамикой лопастей, особенно с факторами, уменьшающими резкое сваливание. Неспособность предсказать сваливание ограничивает развитие агрессивных аэродинамических концепций. [4] Некоторые лопасти (в основном на Enercon) имеют законцовку для повышения производительности и/или снижения шума. [21] [22]

Лопасть может иметь аэродинамическое качество 120, [23] по сравнению с 70 у планера и 15 у авиалайнера. [24]

Ступица

В простых конструкциях лопасти крепятся болтами непосредственно к ступице и не могут наклоняться, что приводит к аэродинамическому срыву выше определенных скоростей ветра. В других, более сложных конструкциях, они крепятся болтами к подшипнику шага, который регулирует их угол атаки с помощью системы шага в зависимости от скорости ветра, чтобы контролировать скорость их вращения. [25] Шаговый подшипник привинчен к ступице. Ступица крепится к валу ротора, который приводит в движение генератор напрямую или через редуктор.

Количество лезвий

Двухлопастная ветряная турбина NASA / DOE Mod-5B диаметром 98 метров была самой большой действующей ветряной турбиной в мире в начале 1990-х годов.

Количество лопастей выбирается с учетом аэродинамической эффективности, стоимости компонентов и надежности системы. На шумовые выбросы влияет расположение лопастей с наветренной или с подветренной стороны башни и скорость вращения ротора.Учитывая, что уровень шума от задних кромок и концов лопастей зависит от скорости вращения лопасти в 5-й степени, небольшое увеличение скорости кромки может иметь большое значение.

Ветряные турбины, разработанные за последние 50 лет, почти повсеместно используют либо две, либо три лопасти. Тем не менее, есть патенты, в которых представлены конструкции с дополнительными лопастями, такие как интегрированная ветряная турбина с многоблочной системой лопастей ротора Чан Шина. [26] Аэродинамическая эффективность увеличивается с количеством лопастей, но с уменьшением отдачи.Увеличение количества лопастей с одной до двух дает шестипроцентное увеличение аэродинамической эффективности, тогда как увеличение количества лопастей с двух до трех дает только дополнительные три процента эффективности. [27] Дальнейшее увеличение количества лопастей приводит к минимальным улучшениям аэродинамической эффективности и слишком сильно снижает жесткость лопастей, поскольку лопасти становятся тоньше. [ citation required ]

Теоретически, бесконечное количество лопастей нулевой ширины является наиболее эффективным, работая при высоком значении передаточного отношения скоростей лопастей.Но другие соображения приводят к компромиссу лишь нескольких лезвий. [28]

Затраты на компоненты, на которые влияет количество лопастей, в первую очередь связаны с материалами и изготовлением ротора турбины и трансмиссии. Как правило, чем меньше количество лопастей, тем ниже будут затраты на материалы и производство. Кроме того, чем меньше количество лопастей, тем выше может быть скорость вращения. Это связано с тем, что требования к жесткости лопастей, чтобы избежать взаимодействия с башней, ограничивают толщину лопастей, которые могут быть изготовлены, но только для машин против ветра; отклонение лопастей в машине по ветру приводит к увеличению зазора башни.Меньшее количество лопастей с более высокими скоростями вращения снижает пиковые крутящие моменты в трансмиссии, что приводит к снижению затрат на редуктор и генератор.

На надежность системы влияет количество лопастей, в первую очередь из-за динамической нагрузки ротора на трансмиссию и башенные системы. При настройке ветряной турбины на изменение направления ветра (рыскание) каждая лопасть испытывает циклическую нагрузку на своем корневом конце в зависимости от положения лопасти. Это верно для одной, двух, трех лопастей и более. Однако эти циклические нагрузки при объединении вместе на валу трансмиссии симметрично уравновешиваются для трех лопастей, обеспечивая более плавную работу во время рыскания турбины.Турбины с одной или двумя лопастями могут использовать поворотную качающуюся ступицу, чтобы также почти исключить циклические нагрузки на приводной вал и систему во время рыскания. Китайский двухлопастный генератор мощностью 3,6 МВт проходит испытания в Дании. [29] Mingyang выиграла тендер на двухлопастные морские ветряные турбины мощностью 87 МВт (29 * 3 МВт) недалеко от Чжухая в 2013 году. считается фактором, по которому некоторые люди считают трехлопастный ротор более приятным на вид, чем однолопастный или двухлопастный.

Материал лезвия

В целом идеальные материалы должны соответствовать следующим критериям:

  • широкая доступность и простота обработки для снижения затрат и обслуживания
  • малый вес или плотность для снижения гравитационных сил
  • высокая прочность, позволяющая выдерживать сильные нагрузки ветра и силы тяжести самой лопасти
  • высокая усталостная прочность, позволяющая выдерживать циклические нагрузки
  • высокая жесткость для обеспечения стабильности оптимальной формы и ориентации отвала и зазора с башней
  • высокая вязкость разрушения
  • способность противостоять воздействиям окружающей среды, таким как удары молнии, влажность и температура [33]

Это сужает список приемлемых материалов. Металлы были бы нежелательны из-за их уязвимости к усталости. Керамика имеет низкую вязкость разрушения, что может привести к преждевременному выходу лезвия из строя. Традиционные полимеры недостаточно жесткие, чтобы их можно было использовать, а древесина имеет проблемы с повторяемостью, особенно с учетом длины лезвия. Таким образом, армированные волокном композиты, обладающие высокой прочностью и жесткостью, а также низкой плотностью, остаются очень привлекательным классом материалов для конструкции ветряных турбин. [34]

Деревянные и брезентовые паруса использовались на ранних ветряных мельницах из-за их низкой цены, доступности и простоты изготовления.Лезвия меньшего размера могут быть изготовлены из легких металлов, таких как алюминий. Однако эти материалы требуют частого ухода. Конструкция из дерева и брезента ограничивает форму аэродинамического профиля плоской пластиной, которая имеет относительно высокое отношение лобового сопротивления к захватываемой силе (низкая аэродинамическая эффективность) по сравнению со сплошными аэродинамическими профилями. Для создания конструкций с твердым аэродинамическим профилем требуются негибкие материалы, такие как металлы или композиты. Некоторые лезвия также имеют встроенные молниеотводы.

Новые конструкции ветряных турбин увеличивают выработку электроэнергии с диапазона в один мегаватт до более чем 10 мегаватт с использованием все более и более крупных лопастей.Большая площадь эффективно увеличивает передаточное число турбины при заданной скорости ветра, тем самым увеличивая ее потребление энергии. [35] Программное обеспечение для автоматизированного проектирования, такое как HyperSizer (первоначально разработанное для проектирования космических кораблей), можно использовать для улучшения конструкции лопастей. [36] [37]

По состоянию на 2015 год диаметр ротора лопастей наземных ветряных турбин достигает 130 метров, [38] , а диаметр морских турбин достигает 170 метров. [39] В 2001 году в лопастях ветряных турбин было использовано около 50 миллионов килограммов ламината из стекловолокна. 8.9 циклов загрузки. Ветер является еще одним источником нагрузки на лопасти несущего винта. Подъем вызывает изгиб в направлении закрылка (вне плоскости несущего винта), а обтекание лопасти воздухом вызывает изгиб в поперечном направлении (в плоскости несущего винта). Изгиб с откидной створкой включает в себя растяжение на стороне давления (по наветренной стороне) и сжатие на стороне всасывания (по ветру). Изгиб по кромке включает растяжение на передней кромке и сжатие на задней кромке.

Ветровые нагрузки цикличны из-за естественной изменчивости скорости ветра и сдвига ветра (более высокие скорости на вершине вращения).

Отказ при предельной нагрузке лопастей ротора ветряной турбины, подвергающихся ветровой и гравитационной нагрузке, представляет собой вид отказа, который необходимо учитывать при проектировании лопастей ротора. Скорость ветра, которая вызывает изгиб лопастей ротора, демонстрирует естественную изменчивость, как и реакция на напряжение в лопастях ротора. Кроме того, сопротивление лопастей несущего винта с точки зрения их прочности на растяжение демонстрирует естественную изменчивость. [42]

В свете этих режимов отказа и все более крупных лопастных систем предпринимались постоянные усилия по разработке экономичных материалов с более высоким отношением прочности к массе.Чтобы продлить текущий 20-летний срок службы лопастей и обеспечить рентабельность лопастей большей площади, необходимо оптимизировать конструкцию и материалы с точки зрения жесткости, прочности и сопротивления усталости. [33]

Большинство современных коммерческих лопастей ветряных турбин изготавливаются из армированных волокном полимеров (FRP), которые представляют собой композиты, состоящие из полимерной матрицы и волокон. Длинные волокна обеспечивают продольную жесткость и прочность, а матрица обеспечивает вязкость разрушения, прочность на расслоение, прочность вне плоскости и жесткость. [33] Показатели материалов, основанные на максимальной энергоэффективности и обладающие высокой вязкостью разрушения, сопротивлением усталости и термической стабильностью, оказались самыми высокими для пластиков, армированных стекловолокном и углеродным волокном (GFRPs и CFRPs). [43]

Изготовление лопастей длиной от 40 до 50 метров осуществляется с использованием проверенных технологий изготовления композитных материалов из стекловолокна. Такие производители, как Nordex SE и GE Wind, используют процесс инфузии. Другие производители используют вариации этой техники, некоторые из которых включают углерод и дерево со стекловолокном в эпоксидной матрице.Другие варианты включают предварительно пропитанное («препрег») стекловолокно и трансферное формование смолы с помощью вакуума. В каждом из этих вариантов используется полимерный композит, армированный стекловолокном, который имеет разную сложность конструкции. Возможно, самой большой проблемой более простых мокрых систем с открытой формой являются выбросы, связанные с выделяемыми летучими органическими веществами. Предварительно пропитанные материалы и методы инфузии смолы позволяют избежать выброса летучих веществ за счет содержания всех летучих органических соединений. Однако у этих закрытых процессов есть свои проблемы, а именно производство толстых ламинатов, необходимых для структурных компонентов, становится более сложным. Поскольку проницаемость смолы преформы диктует максимальную толщину ламината, необходимо удалить пустоты и обеспечить правильное распределение смолы. [40] Одно из решений для распределения смолы по частично предварительно пропитанному стекловолокну. Во время вакуумирования сухая ткань обеспечивает путь для воздушного потока, и после применения тепла и давления смола может попасть в сухую область, в результате чего структура ламината будет полностью пропитана. [40]

Композиты на основе эпоксидной смолы имеют экологические, производственные и ценовые преимущества по сравнению с другими системами смол.Эпоксидные смолы также обеспечивают более короткие циклы отверждения, повышенную долговечность и улучшенное качество поверхности. Операции препрега еще больше сокращают время обработки по сравнению с системами мокрой укладки. По мере того, как лопасти турбин проходят 60 метров, методы инфузии становятся все более распространенными; время впрыска традиционного трансферного формования смолы слишком велико по сравнению со временем схватывания смолы, что ограничивает толщину ламината. Инъекция проталкивает смолу через более толстый пакет слоев, таким образом, смола осаждается в структуре ламината до того, как произойдет гелеобразование.Были разработаны специальные эпоксидные смолы, позволяющие регулировать срок службы и вязкость. [45]

Несущие лонжероны, армированные углеродным волокном, позволяют уменьшить вес и повысить жесткость. По оценкам, использование углеродного волокна в 60-метровых лопастях турбины снижает общую массу лопасти на 38% и снижает стоимость на 14% по сравнению со 100% стекловолокном. Дополнительным преимуществом углеродных волокон является уменьшение толщины секций ламината из стекловолокна, что дополнительно решает проблемы, связанные со смачиванием смолой толстых секций укладки.Ветряные турбины также могут выиграть от общей тенденции увеличения использования и снижения стоимости материалов из углеродного волокна. [40]

Хотя стеклянные и углеродные волокна обладают многими оптимальными качествами для рабочих лопаток турбины, у этих современных наполнителей есть несколько недостатков, в том числе тот факт, что высокая доля наполнителя (10-70 мас. %) вызывает повышенную плотность, а также микроскопические дефекты и пустоты, которые часто приводят к преждевременному выходу из строя. [33]

Последние разработки включают интерес к использованию углеродных нанотрубок (УНТ) для усиления нанокомпозитов на полимерной основе.УНТ можно выращивать или наносить на волокна или добавлять в полимерные смолы в качестве матрицы для структур FRP. Использование наноразмерных УНТ в качестве наполнителя вместо традиционного микроразмерного наполнителя (такого как стекло или углеродное волокно) приводит к получению нанокомпозитов УНТ/полимер, свойства которых могут быть значительно изменены при очень низком содержании наполнителя (обычно < 5 мас.%). Они имеют очень низкую плотность и улучшают модуль упругости, прочность и вязкость разрушения полимерной матрицы. Добавление УНТ к матрице также уменьшает распространение межслойных трещин, которые могут быть проблемой в традиционных FRP. [33]

Дальнейшее улучшение возможно за счет использования углеродных нановолокон (УНВ) в покрытиях лезвий. Серьезной проблемой в условиях пустыни является эрозия передних кромок лопастей переносимым ветром песком, что увеличивает шероховатость и снижает аэродинамические характеристики. Сопротивление эрозии частиц армированных волокном полимеров является низким по сравнению с металлическими материалами и эластомерами и нуждается в улучшении. Показано, что замена стекловолокна УНВ на поверхности композита значительно повышает эрозионную стойкость.Также было показано, что УНВ обеспечивают хорошую электропроводность (что важно для ударов молнии), высокий коэффициент демпфирования и хорошую стойкость к ударам и трению. Эти свойства делают нанобумагу на основе УНВ перспективным покрытием для лопастей ветряных турбин. [46] [47]

Другим важным источником деградации лопаток турбины является повреждение от молнии, которое в течение нормального 25-летнего срока службы, как ожидается, подвергнется ряду ударов молнии на протяжении всего срока службы. [48] Диапазон повреждений, вызванных ударами молнии, варьируется от простого пригорания и растрескивания ламинированного материала на уровне поверхности до разрывов лезвия или полного расслоения клея, скрепляющего лезвие. [48] Чаще всего можно наблюдать удары молнии на концах лопастей, особенно в дождливую погоду из-за медной проводки внутри, привлекающей молнию. [49] Наиболее распространенный метод борьбы с этим, особенно в непроводящих материалах лезвий, таких как стеклопластики и углепластики, заключается в добавлении разрядников молнии, которые представляют собой просто металлические провода, обеспечивающие непрерывный путь к земле, пропуская лезвия. и коробка передач полностью, чтобы исключить риск повреждения этих компонентов. [49]

Переработка лезвия

Глобальный совет по ветроэнергетике (GWEC) прогнозирует, что к 2020 г. энергия ветра будет удовлетворять 15,7 % общемировых потребностей в энергии, а к 2030 г. — 28,5 %. требуют установки нового и более крупного парка более эффективных ветряных турбин и последующего вывода из эксплуатации стареющих. Согласно исследованию, проведенному Европейской ассоциацией ветроэнергетики, только в 2010 году промышленность ветряных турбин израсходовала от 110 до 140 килотонн композитов для изготовления лопастей. [51] Большая часть материала лезвия в конечном итоге превратится в отходы, и для того, чтобы справиться с таким количеством композитных отходов, единственным вариантом является переработка. Как правило, полимеры, армированные стекловолокном (GFRP), составляют около 70% ламината лопасти. Стеклопластики препятствуют сжиганию и не горючи. [52] Таким образом, традиционные методы переработки необходимо модифицировать. В настоящее время, в зависимости от того, можно ли регенерировать отдельные волокна, существует несколько общих методов переработки стеклопластика в лопастях ветряных турбин:

  • Механическая переработка: этот метод не позволяет восстановить отдельные волокна.Начальные процессы включают измельчение, дробление и/или измельчение. Измельченные куски затем разделяют на фракции, богатые волокнами и богатые смолой. Эти фракции в конечном итоге включаются в новые композиты либо в качестве наполнителей, либо в качестве армирующих материалов. [53]
  • Химическая обработка/пиролиз: Термическое разложение композитов используется для восстановления отдельных волокон. Для пиролиза материал нагревают до 500 °C в среде без кислорода, что приводит к его распаду на более легкие органические вещества и/или газообразные продукты.Стеклянные волокна, как правило, теряют 50% своей первоначальной прочности, и теперь их можно использовать для армирования красок или бетона. [54] Исследования показали, что этот вариант по окончании срока службы может восстанавливать приблизительно до 19 МДж/кг. [55] Однако этот метод имеет относительно высокую стоимость и требует аналогичной предварительной механической обработки. Кроме того, он еще не был модифицирован для удовлетворения будущих потребностей в крупномасштабной переработке лопастей ветряных турбин. [56]
  • Прямая конструкционная переработка композитов: разработан для борьбы с неэффективностью и затратами, связанными с химическими, термическими и механическими процессами переработки, которые либо снижают эксплуатационные свойства, либо действуют только как наполнитель для других композитов. Общая идея этого метода заключается в повторном использовании композита как есть, что может быть достигнуто, особенно в более крупных композитных материалах, поскольку его можно разделить на несколько частей, которые можно использовать в других приложениях без изменения химических свойств композитного компонента. . [57]

Башня

Существует два основных типа башен: парящие башни и наземные башни, которые обычно более распространены.

Высота башни

Скорость ветра увеличивается на больших высотах из-за поверхностного аэродинамического сопротивления (земли или воды) и вязкости воздуха.Изменение скорости с высотой, называемое сдвигом ветра, наиболее существенно у поверхности. Как правило, изменение следует степенному закону профиля ветра, который предсказывает, что скорость ветра увеличивается пропорционально корню седьмой степени высоты. Таким образом, удвоение высоты турбины увеличивает ожидаемую скорость ветра на 10% и ожидаемую мощность на 34%. Чтобы избежать коробления, удвоение высоты башни обычно требует удвоения диаметра башни, что увеличивает количество материала как минимум в четыре раза.

В ночное время или когда атмосфера становится стабильной, скорость ветра у земли обычно снижается, тогда как на высоте ступицы турбины она не уменьшается настолько сильно или может даже увеличиваться. В результате скорость ветра выше, и турбина будет производить больше энергии, чем ожидается по степенному закону 1/7: удвоение высоты может увеличить скорость ветра на 20-60%. Стабильная атмосфера вызвана радиационным охлаждением поверхности и распространена в умеренном климате: обычно она возникает, когда ночью (частично) чистое небо.При сильном (высотном) ветре (скорость ветра на высоте 10 метров выше примерно от 6 до 7 м/с) стабильная атмосфера нарушается из-за турбулентности трения, и атмосфера становится нейтральной . Дневная атмосфера либо нейтральна (нет результирующей радиации; обычно с сильным ветром и сильной облачностью), либо нестабильна (поднимающийся воздух из-за нагрева земли — солнцем). Здесь снова применяется степенной закон 1/7 или, по крайней мере, он является хорошей аппроксимацией профиля ветра. Индиана была оценена как страна с ветровой мощностью 30 000 МВт, но за счет увеличения ожидаемой высоты турбины с 50 м до 70 м оценка ветровой мощности была увеличена до 40 000 МВт и могла быть вдвое больше, чем на высоте 100 м. [58]

Было обнаружено, что для HAWT высота башни примерно в два-три раза превышает длину лопасти, чтобы сбалансировать материальные затраты башни с лучшим использованием более дорогих активных компонентов.

Ограничения по размеру дороги затрудняют транспортировку вышек диаметром более 4,3 м. Шведские анализы показывают, что важно, чтобы нижняя законцовка крыла находилась на высоте не менее 30 м над верхушками деревьев, но более высокая башня требует большего диаметра башни. [59] Турбина мощностью 3 МВт может увеличить производительность с 5000 МВтч до 7700 МВтч в год за счет увеличения высоты башни с 80 до 125 метров. [60] Профиль башни, состоящий из соединенных между собой оболочек, а не цилиндров, может иметь больший диаметр и при этом быть транспортабельным. Прототип башни высотой 100 м с 18-мм «досками» с болтовым креплением TC был возведен в испытательном центре ветряных турбин Хевсёре в Дании и сертифицирован Det Norske Veritas с гондолой Siemens. Элементы оболочки могут поставляться в стандартных 12-метровых транспортных контейнерах, таким образом производится [59] [61] и 2½ башни в неделю. [62]

По состоянию на 2003 год в типичных современных ветряных турбинах используются башни высотой около 210 футов (65 м). Высота обычно ограничивается наличием кранов. Это привело к появлению множества предложений по «частично самоустанавливающимся ветряным турбинам», которые для данного доступного крана позволяют использовать более высокие башни, которые помещают турбину в более сильный и устойчивый ветер, и «самоустанавливающиеся ветряные турбины», которые можно установить. без кранов. [63] [64] [65] [66]

Материалы башни

В настоящее время большинство ветряных турбин поддерживаются коническими трубчатыми стальными башнями.Эти опоры составляют от 30% до 65% веса турбины и, следовательно, составляют большой процент затрат на транспортировку турбины. Использование более легких материалов в башне может значительно снизить общие затраты на транспортировку и строительство ветряных турбин, однако необходимо сохранить устойчивость. [67] Сталь S500 более высокого качества стоит на 20-25% дороже, чем сталь S335 (стандартная конструкционная сталь), но требует на 30% меньше материала из-за ее повышенной прочности. Следовательно, замена башен ветряных турбин сталью S500 приведет к чистой экономии как веса, так и стоимости. [68]

Другим недостатком конических стальных башен является то, что строительство башен, отвечающих требованиям ветряных турбин высотой более 90 метров, оказывается сложной задачей. Бетон с высокими эксплуатационными характеристиками демонстрирует потенциал для увеличения высоты башни и увеличения срока службы башни. Гибрид предварительно напряженного бетона и стали показал улучшенные характеристики по сравнению со стандартной трубчатой ​​сталью при высоте башни 120 метров. [69] Бетон также имеет то преимущество, что позволяет собирать небольшие сборные секции на месте, что позволяет избежать проблем со стальными поверхностями во время транспортировки. [70] Одним из недостатков бетонных башен является более высокий уровень выбросов CO2 при производстве бетона по сравнению со сталью. Однако общая польза для окружающей среды должна быть выше, если бетонные башни могут удвоить срок службы ветряной турбины. [71]

Древесина изучается как материал для башен ветряных турбин, и в Германии была возведена башня высотой 100 метров, поддерживающая турбину мощностью 1,5 МВт. Деревянная башня имеет те же транспортные преимущества, что и башня с сегментированным стальным корпусом, но без потребления стальных ресурсов. [72] [73]

Подключение к электрической сети

Все ветряные турбины, подключенные к сети, от первой в 1939 году до разработки ветряных турбин с переменной скоростью, подключенных к сети в 1970-х годах, были ветряными турбинами с фиксированной скоростью. Еще в 2003 году почти все ветряные турбины, подключенные к сети, работали с постоянной скоростью (синхронные генераторы) или с точностью до нескольких процентов от постоянной скорости (асинхронные генераторы). [74] [75] По состоянию на 2011 год во многих действующих ветряных турбинах использовались асинхронные генераторы с фиксированной скоростью (FSIG). [76] По состоянию на 2011 год большинство новых ветряных турбин, подключенных к сети, представляют собой ветряные турбины с переменной скоростью – они имеют некоторую конфигурацию с переменной скоростью. [76]

Ранние системы управления ветряными турбинами были разработаны для извлечения пиковой мощности, также называемой отслеживанием точки максимальной мощности — они пытаются получить максимально возможную электрическую мощность от данной ветряной турбины при текущих условиях ветра. [77] Более современные системы управления ветряными турбинами намеренно потребляют меньше электроэнергии, чем могли бы в большинстве случаев, чтобы обеспечить другие преимущества, в том числе:

  • вращающиеся резервы для быстрого производства большей мощности, когда это необходимо, например, когда какой-либо другой генератор внезапно отключается от сети, до максимальной мощности, поддерживаемой текущими ветровыми условиями. [78]
  • Ветряные турбины с переменной скоростью могут (на очень короткое время) производить больше энергии, чем могут поддерживать текущие ветровые условия, за счет накопления некоторой энергии ветра в виде кинетической энергии (ускорение во время коротких порывов более быстрого ветра) и последующего преобразования этой кинетической энергии в электрическую энергию (замедление). , либо когда требуется больше энергии в другом месте, либо во время коротких затишья на ветру, либо в обоих случаях). [79] [80]
  • демпфирование (электрическое) подсинхронных резонансов в сети [81]
  • демпфирование (механического) резонанса в башне [82] [83]

Генератор в ветровой турбине вырабатывает электричество переменного тока (AC). Некоторые турбины приводят в действие преобразователь переменного тока в переменный, который преобразует переменный ток в постоянный (постоянный) с помощью выпрямителя, а затем обратно в переменный ток с помощью инвертора, чтобы согласовать частоту и фазу сети. Однако наиболее распространенным методом в больших современных турбинах является использование вместо этого асинхронного генератора с двойным питанием, напрямую подключенного к электросети.

Полезным методом подключения синхронного генератора с постоянными магнитами к сети является использование встречно-параллельного преобразователя. Кроме того, мы можем иметь схемы управления, чтобы достичь единичного коэффициента мощности при подключении к сети.Таким образом, ветряная турбина не будет потреблять реактивную мощность, что является наиболее распространенной проблемой ветряных турбин, использующих асинхронные машины. Это приводит к более стабильной системе питания. Кроме того, при различных схемах управления ветродвигатель с синхронным генератором на постоянных магнитах может вырабатывать или потреблять реактивную мощность. Таким образом, он может работать как динамический блок конденсаторов/катушек индуктивности, чтобы помочь со стабильностью энергосистем.

Ниже показана схема управления для достижения единичного коэффициента мощности:

Регулирование реактивной мощности состоит из одного ПИ-регулятора для обеспечения работы с единичным коэффициентом мощности (т.е. Q сетка = 0 ). Очевидно, что I dN необходимо регулировать для достижения нуля в установившемся режиме (I dNref = 0).

Мы можем видеть полную систему преобразователя со стороны сети и каскадных контуров ПИ-регулятора на рисунке справа.

Фундамент

Ветряные турбины по своей природе представляют собой очень высокие тонкие конструкции, [84] это может вызвать ряд проблем при рассмотрении конструкции фундамента.Фундаменты обычного инженерного сооружения предназначены в основном для передачи вертикальной нагрузки (собственного веса) на землю, что обычно позволяет использовать сравнительно несложную конструкцию. Однако в случае ветряных турбин сила взаимодействия ветра с ротором наверху башни создает сильную тенденцию к опрокидыванию ветряной турбины. Этот режим нагружения приводит к тому, что к фундаменту ветряной турбины прилагаются большие мгновенные нагрузки. В результате при проектировании фундаментов необходимо уделять значительное внимание тому, чтобы фундамент выдержал эту тенденцию к опрокидыванию. [85]

Одним из наиболее распространенных фундаментов для морских ветряных турбин является моносвая, одиночная трубчатая стальная свая большого диаметра (от 4 до 6 метров), забитая на глубину, в 5-6 раз превышающую диаметр сваи. морское дно. Сцепление грунта и трение между сваей и грунтом обеспечивают необходимую структурную поддержку ветровой турбины. [86]

В наземных турбинах наиболее распространенным типом фундамента является гравитационный фундамент, в котором большая масса бетона распределяется по большой площади, чтобы противостоять нагрузкам турбины. Размер и тип ветряной турбины, ветровые условия и состояние почвы на площадке — все это определяющие факторы при проектировании фундамента. [87]

Затраты

Современный ветряк представляет собой сложную и интегрированную систему. Элементы конструкции составляют большую часть веса и стоимости. Все части конструкции должны быть недорогими, легкими, прочными и технологичными при переменных нагрузках и условиях окружающей среды. Турбинные системы, которые имеют меньше отказов, [90] требуют меньше обслуживания, легче и служат дольше, приведут к снижению стоимости энергии ветра.

Один из способов добиться этого — внедрить хорошо задокументированные, проверенные коды анализа, согласно отчету за 2011 год коалиции исследователей из университетов, промышленности и правительства, поддержанного Центром Аткинсона по устойчивому будущему. [4]

Основные части современной турбины могут стоить (в процентах от общей суммы): башня 22%, лопасти 18%, редуктор 14%, генератор 8%. [91] [92]

Спецификация конструкции

Спецификация проекта ветряной турбины будет содержать кривую мощности и гарантированную доступность.Имея данные оценки ветровых ресурсов, можно рассчитать коммерческую рентабельность. [1] Типичный диапазон рабочих температур составляет от −20 до 40 °C (от 4 до 104 °F). В регионах с экстремальным климатом (таких как Внутренняя Монголия или Раджастхан) требуются специальные версии для холодной и жаркой погоды.

Ветряные турбины могут быть спроектированы и утверждены в соответствии со стандартами IEC 61400. [93]

Низкотемпературный

Ветряные турбины коммунального назначения имеют минимальные рабочие пределы температуры, которые применяются в районах с температурой ниже −20 °C (–4 °F).Ветряные турбины должны быть защищены от скопления льда. Это может привести к неточным показаниям анемометра, а в некоторых схемах управления турбиной может привести к высоким нагрузкам на конструкцию и ее повреждению. Некоторые производители турбин предлагают низкотемпературные комплекты за дополнительную плату в несколько процентов, которые включают в себя внутренние нагреватели, различные смазочные материалы и различные сплавы для элементов конструкции. Если низкотемпературный интервал сочетается с условиями слабого ветра, ветровой турбине потребуется внешний источник энергии, эквивалентный нескольким процентам ее номинальной мощности, для внутреннего нагрева.Например, ветряная электростанция Сент-Леон в Манитобе, Канада, имеет общую мощность 99 МВт, и, по оценкам, ей требуется до 3 МВт (около 3% мощности) сервисной мощности станции несколько дней в году при температурах до −30 °C (–22 °F). Этот фактор влияет на экономику эксплуатации ветроустановки в холодном климате.

См. также

QBlade

QBlade — это программное обеспечение для расчета ветряных турбин с открытым исходным кодом, распространяемое под лицензией GPL.
Интеграция функций XFOIL/XFLR5 позволяет пользователю быстро проектировать индивидуальные аэродинамические профили и вычислять их характеристики, а также напрямую интегрировать их в проектирование и моделирование ротора ветряной турбины.
Программное обеспечение особенно подходит для обучения, поскольку оно обеспечивает «практическое» проектирование и возможности моделирования для проектирования роторов HAWT и VAWT и показывает все фундаментальные взаимосвязи концепций проектирования и характеристик турбин простым и интуитивно понятным способом.
QBlade также включает в себя обширные функции постобработки для моделирования ротора и турбины и обеспечивает глубокое понимание всех соответствующих переменных лопаток и ротора. Кроме того, полученное программное обеспечение представляет собой очень гибкую и удобную платформу для проектирования лопастей ветряных турбин.

Базовая функциональность

  • Экстраполяция полярных данных, сгенерированных или импортированных XFOIL, до угла обзора 360°
  • Проектирование и оптимизация лопаток, включая 3D-визуализацию, с использованием созданных или импортированных XFOIL профилей
  • Определение турбины (лопасти ротора, управление турбиной, тип генератора, потери. ..)
  • Расчет производительности ротора в диапазоне лямбда (коэффициент скорости вращения)
  • Генератор поля турбулентного притока по модели Вирса.
     
  • Расчет производительности ротора в диапазоне лямбда (коэффициент скорости вращения)
  • Расчет производительности турбины в диапазоне скоростей ветра
  • Расчет годовой доходности на основе пользовательского распределения Вейбулла>
  • Ручной выбор алгоритмов коррекции BEM (Blade Element Momentum) и DMS (Double Multiple Streamtube)
  • Многопараметрическое моделирование ротора.
  • Просмотр и визуализация данных как постобработка
  • Функциональность экспорта для всех созданных данных моделирования
  • Функциональность экспорта геометрии лопатки
  • Хранение проектов, роторов, турбин и симуляций в базе данных выполнения
  • Интеграция аэроупругого кода AeroDyn/FAST Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL)

Оптимизация конструкции лопастей ветряных турбин с помощью SimScale

В 19 веке большие турбинные электрогенераторы были заменены двигателями, работающими на ископаемом топливе, чтобы удовлетворить потребности промышленности и экономики. Параллельно с этим было построено общенациональное электроснабжение, работающее, как вы уже догадались, на ископаемом топливе. Но когда глобальные потребности в энергии и изменение климата начали посягать на потребности общества, в начале 21 века произошло возвращение к энергии ветра. Этому также способствовало более глубокое понимание аэродинамики и достижений в области материалов (особенно полимеров). В этой статье мы обсудим, как конструкция ветряной турбины и, в частности, конструкция лопасти ветряной турбины снова оптимизируется, но на этот раз с помощью онлайн-моделирования.

визуализация того, как энергия ветра используется с помощью конструкции лопастей ветряных турбин

Ветряные турбины: преимущества и недостатки

Сегодня большинство ветряных турбин предназначены для выработки электроэнергии и фактически считаются одним из самых быстрорастущих источников энергии в мире. Преимущества ветряных турбин включают, помимо прочего, экономичность, чистоту топлива, экологичность и возможность строить эти механизмы на существующих участках земли, таких как фермы или ранчо (в некоторых случаях, они даже размещены на море в качестве океанских ветряных электростанций!).

Оффшорная ветряная электростанция

Однако использование энергии ветра также сопряжено с трудностями, поскольку районы с сильным ветром обычно удалены и далеки от тех, где требуется электричество. Энергия ветра по-прежнему должна конкурировать по стоимости с источниками ископаемого топлива, чтобы ее можно было внедрить, и в некоторых случаях она не считается наиболее прибыльным использованием данного участка земли. Наряду с этим конструкция лопастей ветряка может нанести вред местной фауне (то есть птицам). По этим причинам как никогда важно оптимизировать конструкции ветряных турбин, чтобы смягчить эти проблемы.

Конструкция ветряной турбины

Турбина с валом, установленным горизонтально параллельно земле, называется ветровой турбиной с горизонтальной осью или HAWT. Большинство HAWT имеют двух- или трехлопастные вращающиеся винты. Вал ветряной турбины с вертикальной осью (VAWT) перпендикулярен земле. Независимо от того, ориентированы ли они горизонтально или вертикально, лопасти ветряных турбин преобразуют энергию ветра в полезную мощность на валу, называемую крутящим моментом. Это достигается за счет поглощения энергии ветра путем замедления ветра, когда он движется по лопастям.Силы, замедляющие ветер, равны и противоположны подъемным силам тягового типа, вращающим лопасти. Ключ к оптимизированной турбине и, следовательно, к увеличению выработки ветровой энергии лежит в конструкции лопастей ветряной турбины.

Конструкция лопасти ветряной турбины

Лопасти ветряных турбин создают подъемную силу благодаря своей изогнутой форме. Сторона с наибольшей кривизной создает низкое давление воздуха, в то время как воздух высокого давления под действием сил на другой стороне аэродинамического профиля в форме лопасти.Конечным результатом является подъемная сила, перпендикулярная направлению потока воздуха над лопастями турбины. Хитрость здесь заключается в том, чтобы спроектировать лопасть ротора таким образом, чтобы создать правильную величину подъемной силы и тяги лопасти, обеспечивая оптимальное замедление воздуха и, следовательно, лучшую эффективность лопасти.

Если лопасти турбины вращаются слишком медленно, через нее беспрепятственно проходит слишком много ветра, и поэтому она не получает столько энергии, сколько могла бы потенциально. С другой стороны, если лопасть винта вращается слишком быстро, она воздействует на ветер подобно большому плоскому вращающемуся диску, который создает большое сопротивление, имеющее такой же, но противоположный эффект.

Транспортировка лопасти ветродвигателя по автомагистрали

Оптимальное передаточное отношение законцовок (TSR), которое определяется как отношение скорости законцовки ротора к скорости набегающего ветра, зависит от профиля формы лопасти ротора, количества лопастей турбины , и сама конструкция лопасти винта ветряной турбины. Итак, какая форма и конструкция лопастей лучше всего подходит для лопастей ветряных турбин?

Как правило, лопасти ветряных турбин имеют такую ​​форму, чтобы генерировать максимальную мощность ветра при минимальных затратах на строительство.Но производители лопастей ветряных турбин всегда стремятся разработать более эффективную конструкцию лопастей. Постоянные усовершенствования конструкции ветряных лопастей привели к появлению новых конструкций ветряных турбин, которые стали более компактными, тише и способны генерировать больше энергии при меньшем ветре. Считается, что, слегка изгибая лопасти турбины, они могут улавливать на 5-10 процентов больше энергии ветра и более эффективно работать в районах, где скорость ветра обычно ниже.

Подробно описаны принципы аэродинамического проектирования лопасти современной ветряной турбины, включая форму/количество в плане лопасти, выбор аэродинамического профиля и оптимальные углы атаки.Эти конструкции можно дополнительно оптимизировать и протестировать с помощью онлайн-инструмента моделирования ветряных турбин.

Как оптимизировать конструкцию лопасти ветряной турбины с помощью инструмента моделирования ветряной турбины

Так как же оптимизировать конструкцию лопастей ветряных турбин? Какая форма поможет вам получить наибольшее количество чистой энергии? Чтобы определить тип, форму, размер и т. д. конструкции ветряной турбины, инженерам необходимо протестировать различные факторы окружающей среды, которые будут колебаться в реальном мире, такие как скорость воздуха и температура.Это можно сделать с помощью онлайн-моделирования вычислительной гидродинамики (CFD) на онлайн-платформах, таких как SimScale. При оценке этого обычно основное внимание уделяется конструкции лопасти ветряной турбины и тестированию различных итераций конструкции. Например, плоские лопасти — это самые старые конструкции лопастей ветряных турбин, которые все еще используются сегодня, однако они становятся менее популярными из-за их меньшей вращательной способности из-за того, что ветер давит на саму лопасть во время хода вверх. Это связано с тем, что лопасти действуют как огромные лопасти, движущиеся в неправильном направлении, отталкиваясь от ветра, что дало им название лопастей несущего винта, основанных на сопротивлении.

Тем не менее, плоские лопасти легче проектировать по сравнению с другими конструкциями лопастей ветряных турбин. Они дешевле в производстве, их легче воспроизвести из-за согласованности формы и размера лопастей, и для их реализации требуется меньше знаний на уровне экспертов. С плоской конструкцией лопасти ветряной турбины все еще есть возможности для оптимизации с помощью онлайн-моделирования и оценки итераций конструкции; от тестирования различных материалов (с помощью моделирования FEA) до различной длины и ширины, и все это в зависимости от различных сезонных или применимых условий.Используя SimScale, многие из наших пользователей моделируют свои конструкции ветряных турбин при различных скоростях воздуха, чтобы оптимизировать их конструкции.

Симулятор ветряной турбины: SimScale

С помощью симулятора ветряных турбин SimScale, использующего вычислительную гидродинамику, пользователи могут оптимизировать свои конструкции лопастей ветряных турбин, скопировав этот общедоступный проект и используя его в качестве шаблона, или даже начав с нуля со своей собственной конструкцией турбины.

CAD-модель и подготовка сетки перед моделированием конструкции ветряной турбины с помощью онлайн-симулятора ветряной турбины, такого как SimScale

. В этом примерном проекте моделируется воздушный поток вокруг ветряной турбины с горизонтальной осью (HAWT) и результирующие силы на роторе.С некоторыми инструкциями о том, как запустить моделирование в сочетании с достигнутыми результатами, этот проект демонстрирует, как SimScale можно использовать для оценки проектов ветряных турбин любого размера и формы.

Изображение постобработки симулятора ветряной турбины из SimScale

Этот проект — лишь один из многих, демонстрирующих, как SimScale можно использовать для оценки производительности ветряной турбины, а также во многих других приложениях. Изучите публичную библиотеку проектов SimScale прямо сейчас!

Чтобы узнать больше о ветряных турбинах от SimScale, посетите эти блоги:


Стили дизайна

Первоначально большинство ветряных турбин работали с фиксированной скоростью при производстве электроэнергии. В последовательности запуска ротор может быть припаркован (остановлен), а при отпускании тормозов будет ускоряться ветром до тех пор, пока не будет достигнута требуемая фиксированная скорость. В этот момент будет выполнено подключение к электросети, а затем сеть (через генератор) будет поддерживать постоянную скорость. Когда скорость ветра превышала уровень, при котором вырабатывалась номинальная мощность, мощность регулировалась одним из ранее описанных способов: срывом или наклоном лопастей.

Впоследствии была введена работа с переменной скоростью.Это позволило согласовать ротор и скорость ветра, и, таким образом, ротор мог поддерживать наилучшую геометрию потока для максимальной эффективности. Ротор может быть подключен к сети на низких скоростях при очень слабом ветре и будет ускоряться пропорционально скорости ветра. По мере приближения к номинальной мощности и, конечно же, после достижения номинальной мощности ротор возвращался к работе почти с постоянной скоростью, при этом лопасти наклонялись по мере необходимости для регулирования мощности. Важные различия между работой с переменной скоростью, используемой в современных больших ветряных турбинах, и более старой обычной работой с фиксированной скоростью:

  • Переменная скорость при работе ниже номинальной мощности может обеспечить увеличение захвата энергии
  • Способность изменять скорость выше номинальной мощности (даже в довольно небольшом диапазоне скоростей) может существенно снизить нагрузку, облегчить режим работы системы шага и значительно уменьшить изменчивость выходной мощности

Конструктивные вопросы шага по отношению к срыву и степени изменения скорости вращения ротора, очевидно, связаны.

В 1980-х преобладала классическая датская трехлопастная конструкция с фиксированной скоростью и регулируемой скоростью. Аэродинамики за пределами ветроэнергетики (например, для вертолетов и газовых турбин) были шокированы идеей использования срыва. Тем не менее, из-за постепенного срыва ротора ветряной турбины он оказался полностью жизнеспособным способом эксплуатации ветряной турбины и использования, а не предотвращения срыва. Это один из уникальных аспектов ветроэнергетики.

Активное управление шагом — это термин, используемый для описания системы управления, в которой лопасти качаются вдоль своей оси, как лопасть гребного винта. Этот подход, на первый взгляд, предлагал лучшее управление, чем регулирование сваливания, но опыт показал, что управление шагом ветряной турбины с фиксированной скоростью при высоких рабочих скоростях ветра выше номинальной скорости ветра (минимальная устойчивая скорость ветра, при которой турбина может производить свою номинальную выходную мощность). ) может быть весьма проблематичным. Причины сложны, но в турбулентных (постоянно меняющихся) ветровых условиях требуется поддерживать регулировку шага до наиболее подходящего угла и высоких нагрузок, а чрезмерные колебания мощности могут возникать всякий раз, когда система управления «захватывается» лопастями в направлении. неправильное положение.

Ввиду таких трудностей, наиболее остро проявлявшихся при высоких эксплуатационных скоростях ветра (скажем, от 15 м/с до 25 м/с), управление по тангажу в сочетании с жестко фиксированной скоростью стало рассматриваться как «сложная» комбинация. Сначала Vestas решила эту проблему, внедрив OptiSlip (степень активной переменной скорости с управлением шагом в режиме ограничения мощности, которая позволяет изменять скорость примерно на 10% с использованием индукционного генератора с высоким скольжением). Suzlon в настоящее время использует аналогичную технологию Flexslip с максимальным проскальзыванием 17%.Изменение скорости помогает регулировать мощность и снижает потребность в быстром тангаже.

Переменная скорость имеет некоторые преимущества, но также вызывает вопросы относительно стоимости и надежности. Это рассматривалось как путь в будущее с ожидаемым снижением затрат и улучшением производительности технологии привода с регулируемой скоростью. В какой-то степени это было реализовано. По экономическим соображениям никогда не было явных аргументов в пользу использования переменной скорости, при этом небольшой выигрыш в энергии компенсировался дополнительными затратами, а также дополнительными потерями в приводе с переменной скоростью. Текущее стремление к переменной скорости в новых больших ветряных турбинах связано с большей эксплуатационной гибкостью и опасениями по поводу качества электроэнергии традиционных ветряных турбин с регулируемым остановом. Двухскоростные системы появились в 1980-х и 1990-х годах в качестве компромисса, улучшающего улавливание энергии и характеристики шума ветряных турбин с регулируемой остановкой. Конструкция с регулировкой останова остается жизнеспособной, но технология переменной скорости обеспечивает лучшее качество выходной мощности в сеть, и в настоящее время она определяет путь проектирования самых больших машин.Некоторые эксперименты проводятся с комбинацией переменной скорости и регулирования сваливания, но переменная скорость естественным образом сочетается с регулировкой шага. По причинам, связанным с методами управления мощностью, электрическая система с регулируемой скоростью позволяет эффективно управлять шагом, а не чрезмерно активно.

Другим важным стимулом для применения управления шагом, и в частности управления шагом с независимым шагом каждой лопасти, является признание сертификационными органами того, что это позволяет рассматривать несущий винт как имеющий две независимые тормозные системы, воздействующие на низкоскоростной вал. Следовательно, для общей безопасности машины требуется только стояночный тормоз.

Управление тангажом вошло в технологию ветряных турбин в первую очередь как средство регулирования мощности, которое позволяло избежать срыва, когда срыв, по опыту отраслей, не связанных с ветровой техникой, считался проблематичным, если не катастрофическим. Однако в сочетании с переменной скоростью и передовыми стратегиями управления он предлагает уникальные возможности для ограничения нагрузок и усталости в системе ветряных турбин и почти повсеместно используется в новых конструкциях больших ветряных турбин.Способность системы с шагом ограничивать нагрузку улучшает отношение мощности к весу системы ветряных турбин и эффективно компенсирует затраты и влияние на надежность системы с шагом.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.