Кпд ветрогенераторов: Вертикальный ветрогенератор своими руками: как собрать ветряк

Содержание

Физические основы ветрогенераторов-Энергия ветра -alter220.ru

Содержание статьи

Принцип получения энергии ветрогенератором кажется простым – ветер крутит турбину, она вырабатывает электричество. Но создание максимально эффективных ветряков основано на множестве научных дисциплин, знакомство с которыми поможет выбрать оптимальный источник альтернативной энергии для своего дома. Главный же из них, это гидродинамика – физика движения сплошных сред.

Уравнение энергии ветра

Базовый принцип физики гласит – энергия не появляется и не исчезает, она только превращается из одного вида в другой. Ветрогенераторы как раз иллюстрируют такой преобразователь: они превращают кинетическую энергию ветра в механическую энергию ротора, а затем генерируется электричество. Но источником является кинетическая энергия, которая рассчитывается по формуле Ркин.= (М х V2) /2, где М и V это масса определённого объёма воздуха и скорость ветра.

Наглядно это можно представить в виде ветра дующего в вытянутую форточку:

Здесь сразу видно, какой объём воздуха проходит через окно, и его зависимость от площади форточки, скорости потока и времени.

Следовательно, напрашивается прямая зависимость:

  • Чем больше окно;
  • Чем быстрее скорость ветра;
  • Чем длиннее «коридор»;

Тем будет больше масса воздуха протекающая через него. Учитывая, что масса воздуха это произведение плотности на объём, энергию ветра можно выразить так:

Рветр.= (r x S x V3 x T) /2, где:

r  — плотность воздуха;

S – ометаемая площадь;

V – скорость ветра;

Т – время.

На рисунке выделено апертурное окно, которое и есть площадь ометаемая лопастями ветрогенератора.

Сила и энергия

Термины сила (мощность) и энергия, очень часто путают. Но чтобы разобраться с альтернативными источниками энергии обстоятельно, надо расставить точки над i.

Энергия, это сила (мощность) умноженная на время.

Вот почему мощность приборов определяется в киловаттах, а счета за электроэнергию приходят в киловатт/часах.

Чтобы определить силу ветра, надо в формуле его кинетической энергии убрать переменную времени Т. И получится формула

Рсила ветр. = (r x S x V3) /2, в которой есть три переменных:

  • Плотностью воздуха управлять невозможно – она от природы.
  • Площадь ометаемой поверхности увеличивает выработку энергии, но у всего есть предел. Ведь чтобы увеличить площадь аппертурного окна ветрогенератора всего в два раза, надо усилить его конструкцию в 4 раза! Но правда есть хитрые решения, например DAWT (ветрогенератор с диффузором).
  • Легковой автомобиль рядом с лопастью для сопоставления размеров
  • Скорость воздушного потока ощутимо влияет на результат, ведь в формуле она возводится в куб. И совсем небольшое изменение этой переменной, резко изменяется производительность ветрогенератора. Например, если скорость ветра увеличиться всего на 26%, с 10 до 12,6 м/с, то генерация вырастет на 100%: 103 = 1000, а 12,63 = 2000.

Именно поэтому ветрогенераторы стараются поднять максимально высоко, где скорость ветра гораздо выше.

Как ветрогенератор питается из альтернативного источника

Ветряки не «питаются» массой воздуха, они настроены на потребление скорости ветра. Другими словами: ветер приближается к ветротурбине с высокой скоростью, а покидается её с меньшей. Разница в скоростях ветра до и после ветрогенератора, определяет, какой объём энергии был усвоен этим устройством.

Некоторые типы ветрогенераторов делают это лучше, некоторые хуже. Но это основная функция ветрогенератора – замедлить ветер.

Грань между эффективностью и ограничением

Никогда не верьте утверждениям, что некий ветрогенератор работает с эффективностью 100%. Это значит, что ветер за лопастями ветряка должен полностью остановиться. Абсурдное доказательство наглядно демонстрирует ложное высказывание.

Ветротурбина с идеальным КПД, должна найти тот баланс, где ветер отдаёт энергии столько, чтобы ему осталось только на выход из апертурного окна устройства для дальнейшего движения. КПД в данном случае определяет разницу в скорости ветра до и после турбины, прямо влияя на коэффициент мощности ветряка, который принимает такую формулу:

Рвыход= 1/2 × r × S × V3 × КПД.

Максимальный КПД ветротурбины, более 100 лет назад, немецкий учёный Бетц  обосновал в своей фундаментальной научной работе. Взяв за основу вышеприведённую формулу, немец чрезвычайно последовательно обосновал, что максимально из ветра можно извлечь 16/27 энергии. Впоследствии, его расчёты чуть подкорректировал итальянец Лореджо, и получилось что максимальный КПД для ветрогенератора 59%.

ВАЖНО: закон Бетца выводится из формулы кинетической энергии ветра, и никак не затрагивает типы ветрогенераторов. Другими словами, он просто утверждает, что для нормального функционирования ветрогенератора, ветер можно замедлить на 59%.

Это отчётливо заметно на разнице в принципах работы турбин Савониуса и Дарье. Ведь ветряки Савониуса принимают только толкающую силу ветра, а проекты Дарье используют и аэродинамическую подъёмную силу, повышающую скорость вращения лопастей.

Сравнение КПД разных типов ветротурбин

До предсказанного Бетцем предела в 59% ни один ветрогенератор до сих пор не мог даже приблизиться. Максимум что удаётся извлечь из альтернативного источника современным ветрякам, это 38-45%. Больше всего экспериментов претерпели горизонтальные модели. У них увеличивали количество лопастей как у модели Болле и уменьшали их до одной, изменяли их форму и угол атаки, но прибавляя в чём-то одном, устройство теряло другие свои качества.

ИНФОРМАЦИЯ: однолопастные турбины обладают самым высоким потенциалом  увеличения коэффициент мощности, но их трудно держать сбалансированными. Двух-и трехлопастные турбины являются проверенным стандартом балансировки аэродинамической эффективности и устойчивости при турбулентных ветрах.

Наиболее успешные в коммерческом плане горизонтальные ветряки, тем не менее не могут конкурировать с эффективностью преобразования вертикальным генератором типа Дарье.

Принципиальное отличие ветрогенератора Дарье

Если все ветрогенераторы извлекают энергию используя силу сопротивления воздушному потоку, то модель Дарье дополнительно включает эффект аэродинамической подъёмной силы. И в России, и в США, независимо друг от друга было доказано, что используя современные технологии и композитные материалы, при одинаковых трудозатратах эффективность ветряка Дарье будет на порядок выше, любой модели горизонтального расположения, потому что теоретический максимум КПД устройства такого типа – 72%!

Наиболее близкий пример для наглядного объяснения такого парадокса можно увидеть в парусном спорте, который тоже использует энергию ветра.

Если парусник двигается строго по ветру, когда он дует прямо в паруса, то его скорость, при идеальных условиях может быть равна скорости ветра.

Если же парусник «режет ветер», двигаясь под углом к воздушному потоку, то скорость судна опытных яхтсменов более чем в два раза превышает скорость ветра!

Этого эффекта удаётся достичь за счёт подъёмной силы, которую формируют ламинарные потоки над парусом.

ВЫВОД: любая ветротурбина которая не использует эффект аэродинамической подъёмной силы крыла, будет уступать модели ветрогенератора Дарье и его аналогам.

Новые обоснования старых концепций

Голословные предположения о том, что современные разработки должны резко повысить КПД ветрогенераторов вообще не имеют под собой основания. Современные модели с горизонтальным размещением достигают 75% эффективности от своего теоретического предела Бентца (приблизительно 45% КПД). Ведь раздел физики который регламентирует эффективность ветротурбин – гидродинамика, а её законы непреложны с момент их открытия.

Некоторые разработчики пытаются поднять эффективность за счёт увеличения количества лопастей, делая их более тонкими. Можно увеличивать их длину, и это даёт больший эффект за счёт роста ометаемой площади.

Но всё равно требуется выдержать баланс, между замедлением ветра и его остаточной скоростью.

Есть другое направление – повысить скорость ветра, пропуская его через диффузор. Но гидродинамика изобилует уже открытыми эффектами обтекания препятствий по пути наименьшего сопротивления.

Есть более или менее удачные модели DAWT, с большими углами на диффузоре, но эти попытки «обмануть ветер» не настолько повышают КПД, как декларирует реклама.

Самые удачные современные ветрогенераторы – это вертикальные модели с лопастями Дарье, посаженные на магнитно-левитирующие опорные подшипники (МАГЛЕВ). Работая почти бесшумно, они начинают вращаться при скорости ветра менее 1 м/с, и выдерживают шквальные порывы до 200 км/ч. Именно на основе таких источников альтернативной энергии выгоднее всего формировать частную независимую энергосистему.

 

Спасибо, что дочитали до конца! Не забывайте подписываться на наш канал, Если статья Вам понравилась!

Делитесь с друзьями, оставляйте ваши КОМЕНТАРИИ   (Ваши Комментарии очень помогают развитию проекта)

Добавляйтесь в нашу группу в ВК:        

ALTER220 Портал о альтернативную энергию

и предлагайте темы для обсуждений, вместе будет интереснее!!!

 

Удивительные ветрогенераторы - Энергетика и промышленность России - № 21 (353) ноябрь 2018 года - WWW. EPRUSSIA.RU

Газета "Энергетика и промышленность России" | № 21 (353) ноябрь 2018 года

Объединяет их лишь одно: рабочей силой является движение воздушных масс. О некоторых оригинальных агрегатах мы и хотим рассказать в этом материале.

Ветрогенераторы становятся все более популярными. Их используют не только как дополнительный источник электричества, но зачастую и как основной, например, при обустройстве загородного дома. Тому способствует удобство эксплуатации и вполне хороший эстетичный вид ветряков. К тому же это вполне экологичные конструкции, не требующие затрат на природные ресурсы: ветер бесплатен. К тому же нынче промышленность выпускает контроллеры энергии, обеспечивающие работу даже при слабом ветре, собирающие энергию «порциями», и конструкции с автоматически изменяющимся углом атаки лопастей в зависимости от направления и силы ветра.

В настоящее время различают три основных типа конструкции ВЭС: пропеллерные, где вращающийся вал расположен горизонтально относительно направления ветра и с самым высоким КПД, барабанные и карусельные, в которых вал, вращающий лопасти, расположен вертикально и которые монтируется в местах, где направление ветра не имеет большого значения (например, в горах).

Главная проблема – нерегулярность работы поставщика энергии, то есть самого ветра. Ветряные электростанции напрямую зависят от этого фактора, и работа узлов, получающих электроэнергию подобным способом, не может быть непрерывной. Положение усугубляется еще и тем, что сила ветра может служить как на пользу, так и во вред – нарастание силы ветра способно вывести установки из строя.

Достоинства ВЭС – простота конструкции, экономичность и возобновляемость источника энергии. Кроме того – доступность (ветер дует везде) и независимость источника энергии (например, от цен на топливо).

Недостатки – зависимость от ветра, шумность и необходимость использования больших площадей (в случае постройки крупных электростанций). Кроме того, стартовая стоимость и дальнейшее использование – вполне затратны (необходимы накопители энергии, которые имеют ограниченный срок эксплуатации).

Как и среди производителей, лидер по строительству ВЭС – Германия. Европа вообще переживает бум строительства ветроустановок, их число растет в скандинавских странах и Греции.

В Азии наибольший практический интерес испытывается со стороны Китая. Программа строительства предусматривает обязательный монтаж таких установок при возведении новых зданий.

Это касается, в первую очередь, так называемых «традиционных» ветряков. Но среди всего разнообразия установок есть и оригинальные, не вписывающиеся в обычные представления о них.

Дерево-ветрогенератор

Например, французская группа инженеров создала искусственное дерево, способное генерировать электричество с помощью ветра. Устройство производит энергию даже при небольшом движении воздуха.

Идея пришла автору изобретения Жерому Мишо-Ларивьеру, когда он наблюдал шелест листьев в безветренную погоду. Устройство использует небольшие пластины в форме скрученных листьев, которые преобразуют ветряную энергию в электрическую. Причем независимо от направления движения воздуха. Дополнительное преимущество «дерева» заключается в его полностью бесшумной работе.

На создание 8‑метрового прототипа инженеры потратили три года. Энергогенерирующее «дерево» установлено в коммуне Плюмер-Боду на северо-западе Франции.

Новая установка, Wind Tree, эффективнее обычного ветрогенератора, поскольку вырабатывает энергию даже при скорости ветра всего 4 м / с.

Мишо-Ларивьер надеется, что «дерево» будет использовано для питания уличных фонарей или зарядных станций для электромобилей. В будущем он планирует усовершенствовать установку и подключить ее к энергоэффективным домам. Идеальное электрогенерирующее «дерево», по словам изобретателя, должно иметь листья из натуральных волокон, «корни» в виде геотермального генератора и «кору» с фотоэлементами.

Биоразлагаемые лопасти

Ахиллесова пята быстрорастущей индустрии ветроэнергетики – физические компоненты ветрогенераторов, которые изготавливаются из нефтяных смол и в конечном итоге оказываются на свалках.

Чем больше ветрогенераторов, тем больше выбрасывается использованных лопастей. Чтобы положить конец этой расточительности, исследовательской группе UMass Lowell был выделен грант для решения этой проблемы путем создания биоразлагаемых лопастей.

Для конструирования новых ветрогенераторов они планируют использовать «полимеры на биологической основе», примером которых является растительное масло.

Кроме всего прочего, рассматривается возможность замены нефтяных смол устойчивыми. Ученые надеются найти новый материал, который обладает теми же свойствами, что и ныне используемый.

Одна из трудностей состоит в том, что необходимо проверить, могут ли эти экологичные лопасти выдерживать суровые погодные условия и при этом иметь конкурентоспособные цены.

Использование биоразлагаемых лопастей сделает индустрию еще более «зеленой» за счет сокращения отходов.

Крылья стрекозы

Несколько исследователей из Франции попробовали сделать ветряную турбину еще эффективней за счет изменения ее компонентов. Насекомые, а именно стрекозы, вдохновили их на создание гибких лопастей. Ветровая турбина на сегодняшний день работает только при оптимальных скоростях ветров, но новый био-дизайн может дать способ обойти этот факт.

Исследователи построили прототипы с обычными жесткими лопастями, умеренно гибкими лопастями и очень гибкими лопастями турбины. Последний дизайн оказался слишком гибким, но умеренно гибкие лопасти превосходят жесткие, создавая на целых 35 % больше мощности. Кроме того, они продолжали работать в условиях слабого ветра и не были подвержены повреждениям при сильном ветре.

Теперь ученым предстоит найти оптимальный материал, который не был бы слишком гибким, но и не являлся жестким.

Воздушная ветроэнергетика

Воздушная ветроэнергетика (Airborne Wind Energy, сокращенно AWE) запускает в небеса летающие ветряные электростанции – дирижабли, «воздушные змеи», дроны и прочие летательные аппараты, оснащенные ветряными турбинами или приводящие в действие наземные генераторы с помощью своих «поводков».

Летающие ветрогенераторы не требуют фундаментов и значительных транспортных издержек. При этом они работают с хорошим «коммерческим» ветром – на высотах в несколько сотен метров ветер стабильнее и сильнее. Поэтому коэффициент использования установленной мощности воздушных ветряных электростанций достигает 70 %.

Например, это шотландский ветроэнергетический проект Kite Power Systems, технологии которого обеспечивают выработку энергии с помощью «воздушных змеев», парящих на высоте до 450 м.

А ветроэнергетическая система Airborne Wind Energy System использует для добычи энергии следующую схему. Автономный самолет, привязанный к основанию, летает по восьмерке на высоте от 200 до 450 метров. Когда самолет движется, он тянет тросик, который приводит в действие генератор. Как только трос намотан до установленной длины (~750 м), самолет автоматически опускается на более низкую высоту. Затем он поднимается и повторяет процесс. Самолет взлетает с платформы, летает и приземляется автономно, используя набор сенсоров, которые обеспечивают информацию для безопасного выполнения задачи.

Ветрогенератор закрытого типа

Компания «Оптифлейм Солюшенз», реализующая в рамках «Сколково» проект по созданию нового поколения малых и средних ветрогенераторов закрытого типа, создала предсерийный образец ветроустановки для подготовки к промышленному производству.

Традиционные ветрогенераторы открытого типа обладают высоким уровнем потенциальной опасности и поэтому располагаются преимущественно в нежилых зонах на удалении. Ветрогенераторы закрытого типа, оснащенные турбиной наподобие самолетной, можно размещать в любых местах, например на крышах жилых или коммерческих зданий.

Установочная мощность образца – 1 / 2 кВт. Он протестирован в аэродинамической трубе и в реальных условиях. В дальнейшем планируется создать и более мощные разработки.

Вместо обычного двух- или трехлопастного вентилятора здесь используется осевая турбина самолетного типа. Это повышает КПД и снижает стоимость изготовления, т. к. сами лопатки существенно меньше вентиляторных. Конструкция имеет внешний направляющий аппарат, который дополнительно повышает КПД и служит защитой от птиц, а также имеются внешний и внутренний обтекатели, служащие защитой в случае разрушения лопаток.

В итоге получен ветрогенератор с рекордно низкой стоимостью генерации кВт-часа, который принципиально возможно размещать в жилой зоне, в том числе – на крышах городских домов. Обычный ветряк там ставить невозможно, так как в пределах десяти диаметров от него должно быть свободное пространство.

По сравнению с обычными ветрогенераторами данная конструкция безопасна в рабочем состоянии для обслуживающего персонала и летающих животных. Также оно работает при более низком уровне шума и не является значительной угрозой для безопасности людей и строений в округе. При аварии обычного ветрогенератора массивные лопасти, двигающиеся с большой скоростью, как правило, разрушают всю конструкцию при повреждении одной из них.

Безредукторный ветроагрегат

В проекте безредукторного ветроагрегата энергия вырабатывается «кончиками» лопастей. Здесь отсутствует традиционный вал от пропеллера к генератору, а электричество снимается с обода пропеллера.

Его ротор в форме ферромагнитного обода закреплен на крыльях ветроколеса. По конструкции он прост, легко изготавливается и монтируется. Но размещение постоянных магнитов на концах крыльчатки намного утяжеляет ее, что снижает общий КПД установки. Зато агрегат удобен в эксплуатации, потому что простая конструкция не требует излишнего внимания. Такие ветрогенераторы могут работать везде при любых климатических условиях.

«Водонапорная башня»

Самый фантастический проект представили американцы. С дальнего расстояния этот ветрогенератор похож, скорее, на водонапорную башню. Лишь поблизости можно увидеть медленное вращение лопастей.

Такую гигантскую турбину собирается серийно выпускать компания в Аризоне под руководством инженера Мазура. По его расчетам, она одна должна поставлять столько электроэнергии, что ее хватит для мегаполиса в 750 тысяч домов. В 2007 году инженер поставил себе цель – многократно увеличить КПД ветрогенератора на вертикальной оси и приближался к своей цели все эти годы.

Изобретатель работал в двух направлениях: первое – сделать как можно больший захват лопастями воздушного потока и второе – свести к нулю трение опоры ветролопастей. Огромных размеров вертикальный ротор должен выполнить первую задачу, а вращающаяся турбина на магнитной подушке – вторую.

О второй задаче надо сказать более подробно. Вращение без трения достигается за счет магнитной левитации. Весь вертикальный роторный блок при вращении поднимается на своей оси и совершенно не касается нижнего опорного подшипника. Он установлен только для старта, для разгона турбины. Как только она набирает обороты, становится как бы невесомой и отрывается от подшипника. В результате трение сводится к нулю, если не считать трения самой турбины о воздух.

Гигантская турбина очень чувствительна и реагирует на малейшее дуновение ветерка. Такая способность подниматься во время вращения за счет магнитной левитации давно занимала ученые и изобретательские умы планеты. Это такое явление, при котором любая вещь или предмет, имея вес, отрывается от поверхности и парит в пространстве без всякого применения отталкивающей силы.

В проекте Мазура виден «плавающий» ротор на магнитной подушке, а вместо генератора установлен линейный синхронный двигатель. Ветрогенератор на магнитной подушке множеством лопастей максимально захватывает воздушный поток. По предположению, такая турбина будет вырабатывать электроэнергию по сказочно мизерной цене.

Это, конечно, лишь часть необычных для традиционного взгляда проектов. Некоторые из них, например, относящиеся к воздушной ветроэнергетике, уже успешно используются. Некоторым – еще предстоит найти свое место в истории. Понятно одно – на традиционных ветряках ветроэнергетика вовсе не заканчивается, она, как и любое направление техники, неуклонно продолжает развиваться.

Массовое развитие ветроэнергетики может нанести серьезный вред планете

По оценкам специалистов, в Европе в ближайшие 10 лет объем выработанной энергии ветра возрастет на 140 ГВт. Ветер, как неисчерпаемый источник экологически чистой энергии, находит все более широкое применение. Однако наряду с неоспоримыми плюсами ветроэнергетика имеет и свои минусы, пишет eprussia.ru. Согласно некоторым исследованиям, развертывание ветро­энергетики хотя бы до 33 процентов от уровня нынешней мировой электрогенерации приведет к худшим последствиям для климата, чем удвоение содержания углекислого газа в атмосфере. Между тем, по современным научным представлениям, удвоение содержания углекислого газа в атмосфере неизбежно вызовет поистине катастрофические изменения климата и массовое вымирание видов.

Обо всем по порядку

Что такое ветряная энергетика? По сути, энергия ветра – это преобразованная в кинетическую энергию молекул воздуха энергия солнца. Проще говоря, энергия ветра, как и энергия волн, – это разновидность солнечной энергии, энергии, которая будет нам доступна столько времени, сколько будут существовать Солнце и наша планета.

Энергию ветра люди научились использовать еще в древности. Так, уже в Древнем Египте ветер использовали для помола зерна, а в Вавилоне и Китае – для осушения полей. Наконец, в XX веке ветер стали использовать непосредственно для получения электроэнергии. Сторонники ветро­энергетики заявляют о сплошных плюсах подобного подхода: отмечают ничтожную стоимость эксплуатации ветряной электростанции, то, что ветряная энергетика соответствует всем условиям, необходимым для причисления ее к экологически чистым методам производства.

Недовольные соседи

Однако противники ветряной энергетики находят в ней и недостатки. Причем если некоторые из них по сравнению с вредом, причиняемым традиционными источниками энергии, незначительны, то другие заставляют серьезно задуматься о дальнейших перспективах ветряной отрасли.

Начнем с простейших из них. Например, многие считают, что ветряки, торчащие здесь и там, портят вид местности. Поэтому сос

Обзор вертикальных ветрогенераторов

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

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

 

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

     Ретроспектива вертикальных ВЭУ 

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

 

Первый ветряной двигатель с вертикальной осью вращения

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

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

 
Персидская ветряная мельница с вертикально-осевым карусельным ротором

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


Вертикально-осевая ветроэлектрическая установка Д. Блиса с карусельным ротором

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


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

      Принцип работы

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

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

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

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

Работа конструкции подъемной силы крыла

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

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

Многообразие конструкций современных вертикальных ветродвигателей, использующих для создания крутящего момента подъёмную силу крыла

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

Пример конструкции ветряной турбины с вертикальной осью вращения с наведением на ветер

     Ветряные двигатели с вертикальной осью вращения «дифференциального лобового сопротивления»

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

 
Принцип работы ветряного двигателя «дифференциального лобового сопротивления»

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

Разнообразие конструкций ветряных двигателей дифференциального лобового сопротивления 

     Комбинированные ветряные двигатели с вертикальной осью вращения

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

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

 
а) – ветряная электроустановка, построенная марокканскими студентами в 1995 году;
б) - ветряная электроустановка, серийно выпускаемые китайскими производителями в 2010 году
 

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

     Энергохарактеристики

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

Главные энергохарактерстики наиболее распространённых ветряных двигателей 

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


Пример представления технических характеристик на сайте производителя (Китай)

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

Примеры кривых выходной мощности двух вертикальных ветряных энергоустановок 

     Тенденции развития вертикальных ветрогенераторов 

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

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


 Типичное представление результатов аэродинамического расчёта методом конечных элементов 

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


 Вариант механизации крыла вертикальных ветряных электроустановок

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

 Пропорции вертикальных ветряных электроустановок

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


Разновидности исследованных моделей роторов 

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

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

     Данная схема сегодня считается самой перспективной.


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

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

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

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

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

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

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

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

Ветрогенератор. Выбираем тип ветрогенератора

Выгодно ли ставить ветроэлектростанцию и правда ли, что рядом жить нельзя?

Нетрудно подсчитать, что при мощности в 2 кВт (столько потребляет, например, электрочайник) и постоянном ветре машина будет зарабатывать для вас 1 гривну в час.

С очередным подорожанием электроэнергии еще больше владельцев частных домов и предприятий задумываются: выгодно ли ставить ветроэлектростанцию?

На сайтах многих компаний, которые предлагают ветрогенераторы, есть даже примеры расчетов такой выгоды в случае использования их продукции, например, для обогрева жилища. Однако, НАМ ТЕПЛО нашел в нескольких таких расчетах неточности в пользу, конечно же, установки ветряка.

Как же обстоят дела на самом деле?

Итак, в среднем, генератор мощностью 2,5 киловатта вместе со всей комплектацией (мачта, инвертор, аккумуляторы и т. п.) и установкой обойдется примерно в 4-6 тысяч евро. Некоторые фирмы, чтобы сразу не пугать ценой, ставят только стоимость генератора, а потом дописывают «опции», без которых, конечно, ток из ветра вы не получите.

Нетрудно подсчитать, что при мощности в 2 кВт (столько потребляет, например, электрочайник) и постоянном ветре  машина будет «зарабатывать» для вас 1 гривну в час (округленная стоимость двух киловатт в обычной сети) или 24 гривны в сутки. За год – около 8,5 тысяч гривен. На самом деле цифра будет меньшей процентов на 50 из-за того, что львиную долю времени ветрогенератор будет работать лишь на половину своей мощности, т. е. реально вы получите тока на четыре тысячи гривен. Чтобы система окупилась, понадобится около 20 лет. Как раз столько составляет ее срок службы. Ремонт и профилактику придется проводить приблизительно каждые 4-5 лет.

Кстати, о конструкциях ветрогенераторов

Самые распространенные ветрогенераторы – с горизонтальной осью. Вот такие:

Их преимущества – относительно низкая цена и стойкость во время бурь, недостатки: чтобы их раскрутить, нужен ветер скоростью 4-5 метров в секунду.

Вертикальные ветряки – стоят дороже раза в два, но за счет большей площади лопастей начинают вырабатывать ток уже при скорости ветра 1-2 метра в секунду, что для «горизонтальных» недостижимо.

Вот как они могут выглядеть:

Наибольшее распространение, однако, получили именно ветряки с горизонтальной осью – как утверждают, около 90 процентов установленных ветроэлектростанций имеют именно такую конструкцию. Все-таки, преимущество в цене у них значительное.

Как узнать скорость ветра в вашем регионе?

Довольно просто – это называется «среднегодовая скорость ветра». Например, в Киевской области она составляет всего 2,4 м/с. В Беларуси – 3,6 м/с. Вот данные по регионам Украины в виде схемы. Вот – по регионам России. Цифры приведены для высоты 10 метров. Обычно на этой высоте и устанавливают ветрогенераторы – чем выше, тем ветер сильнее. На берегах морей, возвышенностях мощность установки существенно возрастает. При скорости ветра 4-5 метров в секунду ветряк будет давать не более 20-25 процентов своей мощности, а оптимальная скорость ветра для его работы — 9-12 метров в секунду.  Обобщая, могу утверждать, что ветрогенератор подойдет практически для любого региона. Отличие будет только в эффективности его работы.

Закономерный вопрос: где можно ставить ветряк ветрогенератор?

Конечно, не в низине и не на опушке леса. Вокруг должно быть открытое пространство, если на холме, другой возвышенности —  еще лучше. Никаких особых разрешений на установку ветростанции в Украине не требуется.

Какая нужна мощность ветрогенератора?

Здесь вам помогут простые расчеты. Вы должны знать среднюю скорость ветра в своем регионе и мощность, которую вы будете потреблять ежемесячно. Например, для дома площадью 250 метров это будет около 300 кВт. Соответственно, вам нужен ветряк, способный производить ежедневно 10 кВт энергии или 0,4 киловатта в час. Вам подойдет относительно недорогая модель. Продавцы правы, когда утверждают, что нужно брать более мощный агрегат, ведь ветрогенератор выдает номинальную мощность только при скорости ветра 9-12 м/c. Когда ветер слабее, то ветряк будет «выдавать» лишь часть своей мощности.

На особенностях инверторов (преобразуют вид тока и напряжение), редукторов , автоматики защиты и аккумуляторных батарей останавливаться особо не будем – у каждого производителя либо продавца ветростанций есть свои комплекты.

Это вредно?

Чем мощнее ветрогенератор, тем сильнее от него электромагнитное поле, вибрация и шум. Птицы и животные обходят большие ветростанции стороной. Ваш ветряк для коттеджа может распугать разве что кротов, но все равно его стоит разместить подальше от жилых помещений.

Ветрогенератор вертикальной конструкции лишен таких недостатков. Производители уверяют, что он не шумит и не излучает электромагнитное поле. Но цена…

Итог

Ветрогенератор выгодно ставить в местностях, удаленных от электросетей, где стоимость прокладки силового кабеля будет выше расходов на ветряк. Самые дешевые модели стоят около 500-600 долларов. Они позволят обеспечить током ваш ноутбук, питать экономную лампочку или зарядить мобильный телефон. Если у вас есть летний домик на безлюдном берегу моря или избушка в горах, то почему бы и нет?

Цена мощных ветрогенераторов уходит далеко за 10 тысяч условных единиц. Иногда они могут быть единственным решением проблемы обеспечения электричеством. В любом случае – покупка подобного агрегата – довольно серьезный шаг, и НАМ ТЕПЛО советует очень тщательно взвесить все «за» и «против». В то же время в США, Швеции и Мексике электроэнергия, произведенная ветроэлектростанциями, уже стоит дешевле, чем ток угольных станций.

Про умельца, который создает уникальный вертикальный ветрогенератор своими руками, читайте в специальном материале НАМТЕПЛО

Технологии ветряных генераторов | IntechOpen

1. Введение

Энергия ветра играет решающую роль в создании экологически устойчивой низкоуглеродной экономики. В этой главе представлен обзор технологий ветряных генераторов и сравниваются их преимущества и недостатки, используемые для использования энергии ветра. Традиционно машины постоянного тока, синхронные машины и индукционные машины с короткозамкнутым ротором использовались для маломасштабной выработки электроэнергии. Для средних и больших ветряных турбин (WT) индукционный генератор с двойным питанием (DFIG) в настоящее время является доминирующей технологией, в то время как генераторы с постоянным магнитом (PM), импульсным сопротивлением (SR) и высокотемпературными сверхпроводящими (HTS) генераторами все активно исследуются и развивалась годами.В этой главе обсуждаются топологии и особенности этих машин с особым вниманием к их практическим соображениям, связанным с проектированием, управлением и эксплуатацией. Надеемся, что в этой главе представлены краткие справочные руководства по разработке систем генерации ветряных турбин.

2. Использование энергии ветра

Использование энергии ветра можно датировать 5000 годом до нашей эры. когда парусные лодки переправлялись через реку Нил. Было зафиксировано, что с 200 г.C. и далее ветер использовался в качестве источника энергии для перекачивания воды, измельчения зерна и управления транспортными средствами и кораблями в древнем Китае и на Ближнем Востоке. Первая задокументированная ветряная мельница была в книге « Пневматика », написанной героем Александрии примерно в первом веке до нашей эры. или I век н. э. [52]. Фактически, эти ветряные мельницы используются для преобразования кинетической энергии в механическую.

Использование энергии ветра для выработки электроэнергии впервые появилось в конце 19, , века [35], но не получило широкого распространения из-за преобладания паровых турбин в производстве электроэнергии.Интерес к ветровой энергии возобновился в середине 1970-х годов после нефтяного кризиса и возросшей озабоченности по поводу сохранения ресурсов. Первоначально ветровая энергия начала набирать популярность в производстве электроэнергии для зарядки батарей [17] в удаленных энергосистемах, энергосистемах жилого масштаба, изолированных или островных энергосистемах и коммунальных сетях. Сами по себе эти ветряные турбины, как правило, небольшие (мощностью менее 100 кВт), но могут быть преобразованы в большую ветряную электростанцию ​​(мощностью 5 МВт или около того). Так продолжалось до начала 1990-х годов, когда ветровые проекты действительно начали развиваться, в основном благодаря правительственным и промышленным инициативам.Это было также в 1990-х годах, когда в основных странах ветроэнергетики, особенно в Европе, акцент, казалось, сместился с береговых на морские.

Морские ветряные турбины были впервые предложены в Германии в 1930-х годах и впервые установлены в Швеции в 1991 году и в Дании в 1992 году. К июлю 2010 года в Европе было установлено 2,4 ГВт морских ветряных турбин. По сравнению с наземной ветровой энергией, морская ветровая энергия обладает некоторыми привлекательными характеристиками, такими как более высокая скорость ветра, доступность более крупных площадок для разработки, более низкий сдвиг ветра и более низкая собственная турбулентность.Но недостатки связаны с тяжелыми условиями работы, большими затратами на установку и обслуживание. Для морских операций основные компоненты должны быть обработаны дополнительными средствами защиты от коррозии и осушения воздуха [24]. Чтобы избежать внепланового технического обслуживания, они также должны быть оснащены функцией устранения неисправностей, чтобы повысить их надежность.

Рисунок 1.

Постоянно растущие размеры ветряных турбин с горизонтальной осью [36].

За последние три десятилетия ветровые турбины претерпели значительные изменения, поскольку мировой рынок ветроэнергетики постоянно и быстро растет.К концу 2009 г. мировая мощность достигла 160 ГВт [7]. Прогнозируется, что на мировом рынке электроэнергии проникновение ветровой энергии вырастет с 1% в 2008 году до 8% в 2035 году [45]. Это достигается просто за счет разработки более крупных ветряных турбин и использования их в ветряных электростанциях. По размерам большие ветряки порядка МВт начали появляться в ЕС, США, а теперь и в Китае и Индии. Как правило, мощность крупных ветряных турбин, установленных в электрических сетях, составляет от 1,5 до 5 МВт, а мощность от 7,5 до 10 МВт находится в стадии интенсивной разработки, как показано на рис. 1. В настоящее время современные ветряные турбины надежны, бесшумны, рентабельны и конкурентоспособны с коммерческой точки зрения, в то время как технологии ветряных турбин проверены и отработаны. В настоящее время технические проблемы обычно связаны с постоянно растущими размерами ветряных турбин, передачей электроэнергии, накоплением энергии, энергоэффективностью, стабильностью системы и отказоустойчивостью.

Рисунок 2.

Мировой энергетический потенциал наземных ветряных турбин (расчетная выработка энергии в кВтч / кВт от ветряной турбины, рассчитанной на скорость 11 м / с) [36].

В настоящее время ветроэнергетика широко признана как основной реальный источник возобновляемой энергии, который можно экономично использовать в больших количествах. Мировая карта потенциала энергии ветра проиллюстрирована на рис. 2. Если взять, например, Соединенное Королевство, используемой морской ветровой энергии достаточно для обеспечения в три раза большего, чем требуется в стране, потребления электроэнергии при достаточной поддержке. Однако ветроэнергетика колеблется по своей природе, и такие приложения требуют высокой надежности и доступности, в то время как рынок все еще стремится снизить вес, сложность и эксплуатационные расходы.

3. Ветровые турбины

Ясно, что ветроэнергетика занимает важное место в правительственной и институциональной повестке дня. Однако на пути его широкого распространения есть некоторые камни преткновения.

Ветряные турбины имеют разную топологию, архитектуру и конструктивные особенности. Схема системы генерации ветряных турбин представлена ​​на рис. 3. Некоторые варианты топологий ветряных турбин следующие [35],

  • Ориентация оси ротора: горизонтальная или вертикальная;

  • Положение ротора: по ветру или по ветру от башни;

  • Скорость ротора: постоянная или переменная;

  • Ступица: жесткая, качающаяся, карданная или шарнирная лопасти;

  • Жесткость: неподвижная или гибкая;

  • Количество лезвий: одно, два, три и даже больше;

  • Управление мощностью: сваливание, тангаж, рыскание или аэродинамические поверхности;

  • Контроль рыскания: активный или свободный.

В этой главе рассматриваются только ветровые турбины с горизонтальной осью (HAWT), которые являются преобладающим типом топологии ветряных турбин, что подтверждается на рис. 4.

Рис. 3.

Схема системы выработки ветряных турбин [50].

Ветровые турбины включают важные механические компоненты, такие как лопасти и роторы турбины, привод и генераторы. Они стоят более 30% от общих капитальных затрат на морской ветроэнергетический проект [24]. В общем, ветряные турбины предназначены для использования в относительно труднодоступных местах, что накладывает некоторые ограничения на конструкцию несколькими способами.В случае оффшорной среды сайт может быть реально доступен для обслуживания один раз в год. В результате отказоустойчивость ветряной турбины имеет большое значение для развития ветряной электростанции.

Рисунок 4.

Общепринятый тип ветряной турбины и его разновидности [24].

Одним из ключевых компонентов ветряной турбины является привод, который связывает аэродинамический ротор и электрические выходные клеммы. Оптимизация ветряных турбинных генераторов не может быть реализована без учета механических, конструктивных, гидравлических и магнитных характеристик трансмиссии.Обзор технологий трансмиссии показан на рис. 5 для сравнения. Как правило, их можно разделить на четыре типа в соответствии с их структурой [24]:

  • Обычные: редуктор и высокоскоростной генератор с несколькими парами полюсов.

  • Прямой привод: любая трансмиссия без коробки передач и тихоходного генератора с большим количеством пар полюсов.

  • Гибрид: любая трансмиссия с коробкой передач и частотой вращения генератора между двумя вышеуказанными типами.

  • Несколько генераторов: любая трансмиссия с более чем одним генератором.

Топология трансмиссии может вызвать такие проблемы, как интеграция ротора и коробки передач / подшипников, изоляция валов шестерни и генератора от механических изгибающих нагрузок, целостность и пути нагрузки. Хотя обслуживание отдельных компонентов ветровой турбины, таких как редукторы, подшипники и генераторы, может оказаться проще, промышленность все больше отдает предпочтение системной конструкции интегрированных компонентов трансмиссии.

4. Генераторы ветряных турбин

Одним из ограничивающих факторов в ветровых турбинах является технология их генераторов. Среди ученых и представителей промышленности нет единого мнения о лучших технологиях ветряных генераторов. Традиционно существует три основных типа ветрогенераторов (WTG), которые можно рассматривать для различных систем ветряных турбин: это синхронные генераторы постоянного тока (DC), переменного тока (AC) и асинхронные генераторы переменного тока. В принципе, каждый из них может работать с фиксированной или переменной скоростью.Из-за изменчивого характера ветровой энергии выгодно использовать WTG с переменной скоростью, что снижает физическую нагрузку на лопатки турбины и привод, а также улучшает аэродинамическую эффективность системы и переходные характеристики крутящего момента.

(a) Технологии генерации постоянного тока

В обычных машинах постоянного тока поле находится на статоре, а якорь - на роторе. Статор состоит из нескольких полюсов, которые возбуждаются либо постоянными магнитами, либо обмотками постоянного тока. Если машина находится в электрическом возбуждении, она обычно работает по принципу генератора постоянного тока с шунтирующей обмоткой.

Рисунок 5.

Технологии трансмиссии системного уровня [24].

Пример системы ветрогенератора постоянного тока показан на рис. 6. Он состоит из ветряной турбины, генератора постоянного тока, инвертора на биполярном транзисторе с изолированным затвором (IGBT), контроллера, трансформатора и электросети. Для генераторов постоянного тока с шунтирующей обмоткой ток возбуждения (и, следовательно, магнитное поле) увеличивается с рабочей скоростью, в то время как фактическая скорость ветряной турбины определяется балансом между крутящим моментом привода WT и крутящим моментом нагрузки.Ротор включает в себя намотанные на якорь проводники, которые соединены с комментатором с разъемным контактным кольцом. Электроэнергия извлекается через щетки, соединяющие комментатор, который используется для преобразования генерируемой мощности переменного тока в выход постоянного тока. Очевидно, что они требуют регулярного обслуживания и относительно дороги из-за использования коммутаторов и щеток.

В целом, эти WTG постоянного тока необычны для ветряных турбин, за исключением ситуаций с низким потреблением энергии [47; 23; 33; 54], где нагрузка физически близка к ветряной турбине, в системах отопления или при зарядке аккумулятора.

Рисунок 6.

Схема системы генератора постоянного тока [33].

(b) Технологии синхронных генераторов переменного тока

С самого начала разработки ветряных турбин были предприняты значительные усилия по использованию трехфазных синхронных машин. Синхронные WTG переменного тока могут принимать постоянное или постоянное возбуждение от постоянных магнитов или электромагнитов и поэтому называются синхронными генераторами с постоянными магнитами (PMSG) и синхронными генераторами с электрическим возбуждением (EESG) соответственно.Когда ротор приводится в движение ветряной турбиной, трехфазная энергия генерируется в обмотках статора, которые подключены к сети через трансформаторы и преобразователи мощности. Для синхронных генераторов с фиксированной скоростью частота вращения ротора должна поддерживаться точно на уровне синхронной скорости. В противном случае синхронизм будет потерян.

Синхронные генераторы - это проверенная машинная технология, поскольку их эффективность для выработки электроэнергии изучалась и широко применялась в течение долгого времени. Схема обычного синхронного генератора в разрезе показана на рис.7. Теоретически характеристиками реактивной мощности синхронных WTG можно легко управлять с помощью цепи возбуждения для электрического возбуждения. Тем не менее, при использовании синхронных генераторов с фиксированной скоростью случайные колебания скорости ветра и периодические возмущения, вызванные эффектами затенения башни и естественными резонансами компонентов, будут передаваться в энергосистему. Кроме того, синхронные WTG имеют тенденцию к низкому демпфирующему эффекту, поэтому они не позволяют электрически поглощать переходные процессы трансмиссии.Как следствие, они требуют дополнительного демпфирующего элемента (например, упругой муфты в трансмиссии) или узла коробки передач, установленного на пружинах и демпферах. Когда они интегрированы в электрическую сеть, синхронизация их частоты с частотой сети требует деликатной операции. Кроме того, они, как правило, более сложные, дорогостоящие и более подвержены отказу, чем индукционные генераторы. В случае использования электромагнитов в синхронных машинах управление напряжением происходит в синхронной машине, тогда как в машинах с возбуждением от постоянных магнитов управление напряжением достигается в цепи преобразователя.

Рисунок 7.

Разрез синхронного генератора [22].

В последние десятилетия генераторы PM постепенно используются в ветряных турбинах из-за их высокой плотности мощности и малой массы [39]. Часто эти машины называются синхронными генераторами с постоянными магнитами (PMSG) и считаются предпочтительными машинами в небольших ветряных генераторах. Структура генератора относительно проста. Как показано на рис. 8. Прочные PM устанавливаются на ротор для создания постоянного магнитного поля, а генерируемое электричество отбирается от якоря (статора) с помощью коммутатора, контактных колец или щеток. Иногда PM могут быть встроены в цилиндрический литой алюминиевый ротор для снижения затрат [35]. Принцип работы генераторов PM аналогичен принципу работы синхронных генераторов, за исключением того, что генераторы PM могут работать асинхронно. Преимущества PMSG включают отсутствие коммутатора, контактных колец и щеток, что делает машины прочными, надежными и простыми. Использование PM устраняет обмотку возбуждения (и связанные с ней потери мощности), но делает невозможным управление полем, а стоимость PM может быть непомерно высокой для больших машин.

Поскольку фактическая скорость ветра переменная, PMSG не могут вырабатывать электроэнергию с фиксированной частотой. В результате они должны быть подключены к электросети через преобразование переменного тока в постоянное с помощью преобразователей мощности. То есть генерируемая мощность переменного тока (с переменной частотой и величиной) сначала выпрямляется в фиксированный постоянный ток, а затем преобразуется обратно в мощность переменного тока (с фиксированной частотой и величиной). Также очень привлекательно использовать эти машины с постоянными магнитами для прямого привода.Очевидно, что в этом случае они могут устранить неисправные редукторы, которые вызывают большинство отказов ветряных турбин. Машины должны иметь большое число полюсов и быть физически большими, чем редукторные машины аналогичного номинала.

Рисунок 8.

Разрез синхронного генератора с постоянными магнитами [18].

Потенциальным вариантом синхронных генераторов является высокотемпературный сверхпроводящий генератор [31; 27; 49; 55]. См. Рис. 9 для низкоскоростной системы синхронного генератора HTS с несколькими МВт.Машина содержит статор железо, медь статора обмотку, HTS полевых катушки, сердечник ротора, опорную конструкцию ротора, ротор систему охлаждения, криостат и внешний холодильник, электромагнитный экран и заслонку, подшипник, вал и корпус. В конструкции машины компоновка статора, ротора, охлаждения и коробки передач может создавать особые проблемы для поддержания катушек HTS в условиях эксплуатации при низких температурах.

Рисунок 9.

Схема системы синхронного генератора HTS [11].

Сверхпроводящие катушки могут пропускать в 10 раз больше тока, чем обычные медные провода, с незначительным сопротивлением и потерями в проводнике. Без сомнения, использование сверхпроводников устранит все потери мощности в цепи возбуждения, а способность сверхпроводимости увеличивать плотность тока позволяет создавать сильные магнитные поля, что приводит к значительному уменьшению массы и размеров генераторов ветряных турбин. Таким образом, сверхпроводящие генераторы являются многообещающими в плане высокой мощности и снижения веса, возможно, лучше подходят для ветряных турбин мощностью 10 МВт или более.В 2005 году компания «Сименс» успешно запустила в производство первый в мире сверхпроводящий ветрогенератор, представляющий собой синхронный генератор мощностью 4 МВт. Тем не менее, существует множество технических проблем, с которыми приходится сталкиваться, особенно в отношении долговечных ветряных турбин, не требующих особого обслуживания. Например, всегда существует необходимость в обслуживании криогенных систем, чтобы время для охлаждения и восстановления работы после остановки было дополнительной проблемой.

(c) Асинхронные генераторы переменного тока

В то время как традиционная выработка электроэнергии использует синхронные машины, современные ветроэнергетические системы широко используют индукционные машины в ветряных турбинах.Эти индукционные генераторы делятся на два типа: индукционные генераторы с фиксированной скоростью (FSIG) с роторами с короткозамкнутым ротором (иногда называемые индукционными генераторами с короткозамкнутым ротором - SQIG) [40; 1] и индукционные генераторы с двойным питанием (ДФИГ) с намотанными роторами [9; 29; 19; 32, 43; 13; 34]. Схемы в разрезе индукционного генератора с короткозамкнутым ротором и индукционного генератора с двойным питанием представлены на рисунках 10 и 11, соответственно, а их топология системы дополнительно проиллюстрирована на рисунке 12.

При питании от трехфазного переменного тока При подаче питания на статор в воздушном зазоре создается вращающееся магнитное поле. Если ротор вращается со скоростью, отличной от синхронной, возникает проскальзывание и на цепь ротора подается питание. В целом индукционные машины просты, надежны, недороги и хорошо разработаны. Они обладают высокой степенью демпфирования и способны поглощать колебания скорости ротора и переходные процессы трансмиссии (т. Е. Отказоустойчивые). Однако асинхронные машины потребляют реактивную мощность из сети, и поэтому требуется некоторая форма компенсации реактивной мощности, такая как использование конденсаторов или преобразователей мощности.В асинхронных генераторах с фиксированной частотой вращения статор подключается к сети через трансформатор, а ротор подключается к ветряной турбине через редуктор. Скорость ротора считается фиксированной (фактически, варьирующейся в узком диапазоне). До 1998 года большинство производителей ветряных турбин производили индукционные генераторы с фиксированной частотой вращения мощностью 1,5 МВт и ниже. Эти генераторы обычно работали со скоростью 1500 оборотов в минуту (об / мин) в электросети 50 Гц [37] с трехступенчатой ​​коробкой передач.

Рисунок 10.

Разрез индукционного генератора с короткозамкнутым ротором [22].

Рисунок 11.

Разрез индукционного генератора с двойным питанием и вращающимся трансформатором [43].

SCIG могут использоваться в ветряных турбинах с регулируемой скоростью, а также в управлении синхронными машинами. Однако выходное напряжение нельзя контролировать, и реактивная мощность должна подаваться извне. Очевидно, что индукционные генераторы с фиксированной частотой вращения могут работать только в очень узком диапазоне дискретных скоростей.Другие недостатки машин связаны с размерами машины, шумом, низкой эффективностью и надежностью. Доказано, что эти машины вызывают серьезные сбои в обслуживании и последующее техническое обслуживание.

Рис. 12.

Схема двух систем индукционных генераторов.

SCIG лидировали на рынке ветряных турбин до последнего тысячелетия [16; 26], уступив место широкому распространению DFIG. В настоящее время более 85% установленных ветряных турбин используют DFIG [41], а самая большая мощность для промышленных ветряных турбин с DFIG увеличилась до 5 МВт в промышленности.В топологии DFIG статор напрямую подключен к сети через трансформаторы, а ротор подключается к сети через силовые преобразователи с ШИМ. Преобразователи могут контролировать ток в цепи ротора, частоту и сдвиг фазового угла. Такие индукционные генераторы могут работать в широком диапазоне скольжения (обычно ± 30% от синхронной скорости). В результате они предлагают множество преимуществ, таких как высокий выход энергии, снижение механических напряжений и колебаний мощности, а также возможность управления реактивной мощностью.

Для индукционных генераторов вся реактивная мощность, питающая магнитные цепи, должна поступать от сети или местных конденсаторов. Индукционные генераторы подвержены нестабильности напряжения. Когда конденсаторы используются для компенсации коэффициента мощности, существует риск самовозбуждения. Кроме того, эффект демпфирования может привести к потерям мощности в роторе. Нет прямого управления ни напряжением на клеммах (т.е. реактивной мощностью), ни устойчивыми токами короткого замыкания.

Как показано на рис.12 (b), ротор DFIG механически связан с ветряной турбиной через систему трансмиссии, которая может содержать высокоскоростные и низкоскоростные валы, подшипники и коробку передач. Ротор питается от двунаправленных преобразователей напряжения. Таким образом, скорость и крутящий момент DFIG можно регулировать, управляя преобразователем на стороне ротора (RSC). Другая особенность заключается в том, что DFIG могут работать как в подсинхронных, так и в суперсинхронных условиях. Статор всегда передает мощность в сеть, а ротор может передавать мощность в обоих направлениях.Последнее связано с тем, что преобразователи ШИМ способны подавать напряжение и ток с разными фазовыми углами. В подсинхронном режиме преобразователь на стороне ротора действует как инвертор, а преобразователь на стороне сети (GSC) - как выпрямитель. В этом случае активная мощность течет от сети к ротору. В суперсинхронном режиме RSC работает как выпрямитель, а GSC как инвертор. Следовательно, активная мощность течет от статора, а также от ротора к электросети.

Рисунок 13.

Пофазная эквивалентная схема DFIG.

Для анализа характеристик DFIG всегда необходимо использовать его пофазную эквивалентную схему, как показано на рисунке 13. Из этого рисунка можно увидеть, что DFIG отличается от обычной индукционной машины в цепи ротора, где Источник напряжения добавлен для подачи напряжения в цепь ротора. Фактическое управление d - q DFIG аналогично управлению величиной и фазой подаваемого напряжения в цепи.

Матричная форма уравнения для этой схемы:

[VsVr / s] = [Rs + j (Xs + Xm) −jXm − jXmRr / s + j (Xr + Xm)] [IsIr] E1

Входная мощность P в можно суммировать из выходной мощности P из и общих потерь P потерь . Последние включают потери в проводнике статора P cu1 , потери в проводнике ротора P cu2 , потери в сердечнике P сердечника , потери на ветер и трение P wf и потеря паразитной нагрузки P случайная .Среди этих потерь предполагается, что P cu1 изменяется в зависимости от квадрата тока статора I с , тогда как P cu2 изменяется в зависимости от квадрата тока ротора I р . Потери паразитной нагрузки можно разделить на две части: основной компонент P fun , возникающий на стороне статора, и P har на стороне ротора.Таким образом, P удовольствие пропорционально I s 2 , а P har пропорционально I r 2 .

Суммарные потери тогда равны

Ploss = 3Is2 (Rs + Rfun) + 3Ir2 (Rr '+ Rhar) + Pcore + PwfE2

Эффективность DFIG составляет

η = PoutPin = 3Voutcosφr6Is (Rs + Rfun + Rr' + Rhar) + 3VoutcosφrE3

КПД можно выразить как функцию тока нагрузки I с , и эта функция является непрерывной и монотонной.Следовательно, максимальная эффективность может быть найдена, когда

То есть условие максимальной эффективности для DFIG составляет

Pcore + Pwf = Pcu1 + Pcu2 + PstrayE5

Для оптимизации конструкции машины DFIG необходимо определить ее потери и эффективность численно. или экспериментально. Дополнительным параметром уточнения является рабочая точка машины. Условие возникновения максимального КПД указывает: когда потери, зависящие от нагрузки, уравнивают потери, не зависящие от нагрузки, КПД машины достигает пика.При проектировании и эксплуатации DFIG выгодно согласовывать характеристики генератора со скоростью ветра, зависящей от конкретной площадки, перемещая точку максимальной эффективности ближе к номинальной или рабочей нагрузке.

Для целей управления математическая модель DFIG основана на синхронной системе отсчета, как показано ниже:

{vsd = rsisd + dψsddt − ωsψsqvsq = rsisq + dψsqdt + ωsψsdE6 {vrd = rrird + dψrddt− (ωs − ωrq) ψrqr + dψrqdt + (ωs − ωr) ψrdE7 {ψsd = (Lls + Lm) isd + Lmirdψsq = (Lls + Lm) isq + LmirqE8 {ψrd = (Llr + Lm) ird + Lmisdψrq = (Llr + Lm) irq9 + Lmis rrare сопротивления статора и ротора в Ω, Lls и Llrare индуктивности рассеяния статора и ротора в H, Lm - индуктивность намагничивания в H.ωsis синхронная электрическая скорость в рад / сек. ω - электрическая скорость ротора DFIG и ее связь с механической скоростью ротора ωgisωr = Pωg, где P - пары полюсов.

Электромагнитный крутящий момент определяется как

Te = 32PLm (isqird-isdirq) E10

В DFIG активная мощность используется для оценки выходной мощности, а реактивная мощность отвечает за ее электрические характеристики в сети. DFIG требует некоторого количества реактивной мощности для установления своего магнитного поля. В случае систем, подключенных к сети, генератор получает реактивную мощность от самой сети [48].В случае изолированной работы системы реактивная мощность должна обеспечиваться внешними источниками, такими как конденсаторы [4] или батареи [9].

(d) Технологии генераторов с коммутируемым сопротивлением

ВГТ с коммутируемым сопротивлением имеют выступающие роторы и статор. Когда ротор вращается, сопротивление магнитной цепи, соединяющей статор и ротор, изменяется и, в свою очередь, индуцирует токи в обмотке якоря (статора). См. Рис. 14, где представлена ​​схема системы импульсного генератора реактивного сопротивления.

Рис. 14.

Схема системы импульсного генератора реактивного сопротивления [12].

Реактивный ротор изготовлен из многослойных стальных листов и не имеет обмоток электрического поля или постоянных магнитов. В результате реактивная машина проста в изготовлении и сборке. Очевидной особенностью является их высокая надежность, поскольку они могут работать в суровых или высокотемпературных условиях. Поскольку реактивный крутящий момент составляет лишь часть электрического крутящего момента, ротор с переключаемым реактивным сопротивлением обычно больше, чем у других с электрическими возбуждениями для данного номинального крутящего момента.Если реактивные машины объединить с функциями прямого привода, они будут чрезвычайно большими и тяжелыми, что сделает их менее подходящими для применения в ветроэнергетике.

5. Конструктивные особенности и проблемы

В общем, ветряные турбогенераторы можно выбрать из имеющихся в продаже электрических машин с небольшими модификациями или без них. Если требуется, чтобы конструкция ветряной турбины соответствовала конкретному объекту, следует принять во внимание некоторые ключевые моменты. К ним относятся:

  • Выбор машин

  • Тип трансмиссии

  • Топология щеток

  • Номинальные и рабочие скорости

  • Номинальный и рабочий крутящие моменты

  • Передаточное число наконечника

  • Мощность и ток

  • Регулировка напряжения (синхронные генераторы)

  • Способы пуска

  • Пусковой ток (индукционные генераторы)

  • Синхронизация (синхронные генераторы)

  • Охлаждающее устройство

  • Компенсация коэффициента мощности и реактивной мощности (индукционные генераторы)

  • Топология преобразователя мощности

  • Вес и размер

  • Защита (морская среда)

  • Капитальные затраты и техническое обслуживание.

Среди этих конструктивных соображений особое внимание уделяется выбору рабочей скорости, типа привода, топологии щеток и преобразователя мощности, которые затем подробно анализируются.

(a) Фиксированная или регулируемая скорость?

Очевидно, что выгодно использовать WTG с переменной скоростью. Причин несколько. Когда скорость ветра ниже номинальной, управление скоростью ротора со скоростью ветра и поддержание постоянного передаточного числа конечных скоростей гарантирует, что ветряная турбина будет извлекать максимальную энергию.Работа с переменной скоростью помогает снизить колебания механических нагрузок на трансмиссию и вал машины, снизить вероятность усталости и повреждений, а также снизить аэродинамический акустический шум. Ротор может действовать как регенеративный накопитель (например, маховик), сглаживая колебания крутящего момента и мощности до входа в трансмиссию. Прямое управление крутящим моментом в воздушном зазоре также помогает минимизировать колебания крутящего момента коробки передач. Поскольку между генератором ветряной турбины и электросетью имеется преобразователь частоты, становится возможным разделить частоту сети и скорость вращения ротора.Это позволяет работать с регулируемой скоростью ротора и контролировать крутящий момент в воздушном зазоре машины. Кроме того, работа с регулируемой скоростью позволяет отдельно контролировать активную и реактивную мощность, а также коэффициент мощности. Теоретически можно использовать некоторые ветряные генераторы для компенсации низкого коэффициента мощности, вызванного соседними потребителями. С экономической точки зрения, ветряная турбина с регулируемой скоростью может производить на 8-15% больше энергии, чем ее аналоги с фиксированной скоростью [45]. Тем не менее, капитальные затраты будут увеличиваться из-за привода с регулируемой скоростью и преобразователей мощности, а также из-за повышенных требований к сложности и управлению.

Рисунок 15.

Система регулирования скорости [35].

В принципе, работа с переменной скоростью может быть достигнута механически с использованием дифференциальных коробок передач или систем бесступенчатой ​​трансмиссии [8], основанных на управлении скоростью и угловой скоростью гироскопов. Но общая практика заключается в достижении этой цели электрическими средствами. Используются два основных метода: регулировка скорости в широком и узком диапазоне [8]. Первое относится к широкому рабочему диапазону от нуля до полной номинальной скорости, а второе относится к узкому рабочему диапазону между долей (до ± 50%) синхронной скорости.В действительности, этого последнего диапазона практически достаточно, и он может значительно сэкономить на силовых электронных преобразователях. Регулирование скорости с обратной связью с помощью такого метода показано на рис. 15.

При проектировании ветряных турбин с регулируемой скоростью необходимо учитывать три аспекта управления, связанных со скоростью ветра. Во-первых, следует поддерживать постоянную оптимизированную скорость наконечника для достижения максимальной аэродинамической эффективности путем изменения скорости ротора в зависимости от фактической скорости ветра. Во-вторых, скорость ротора должна поддерживаться постоянной после того, как ротор достиг своей номинальной скорости, а мощность - нет, в случае умеренного ветра.Когда скорость ветра выше, управление должно поддерживать постоянную номинальную мощность с помощью управления углом тангажа или сваливания. При использовании регулятора угла наклона шаг лопастей изменяется для управления скоростью ротора вместе с крутящим моментом генератора.

(б) Прямой или редукторный привод?

В ветряной турбине с зубчатой ​​передачей скорость генератора увеличивается вместе с передаточным числом, так что снижение веса машины компенсируется увеличением веса коробки передач. Например, ветряная турбина работает со скоростью 15 об / мин, а генератор рассчитан на работу 1200 об / мин (при 60 Гц) [2].Коробка передач с повышенным числом оборотов 1:80 необходима для согласования частоты вращения / крутящего момента турбины с данными генератора.

Однако исторически отказы редукторов представляют собой серьезную проблему для работы ветряных электростанций. Это особенно верно для морских ветряных турбин, которые расположены в суровых и труднодоступных условиях. Из-за этого все чаще используются системы прямого привода в новых ветроэнергетических установках. Одним из примеров является возбужденный синхронный генератор с возбужденным полевым ротором, конструкция которого хорошо зарекомендовала себя на рынке; и другим может быть популярная конструкция генератора неодимового магнита, которая также привлекает большое внимание на рынке.

Очевидно, что конфигурация с прямым приводом устраняет необходимость в зубчатых колесах и связанные с ними проблемы надежности [46]. Поэтому некоторые производители ветряных турбин сейчас переходят на генераторы с прямым приводом, чтобы повысить надежность системы. Поскольку генераторы ветряных турбин работают с силовыми электронными преобразователями, топология прямого привода может обеспечить некоторую гибкость в требованиях к напряжению и мощности машин. Тем не менее недостаток прямого привода связан с низкой частотой вращения турбогенератора.При уменьшении номинальной скорости машины объем и вес ее ротора увеличиваются приблизительно в обратной пропорции для данной выходной мощности. Это можно объяснить следующим уравнением, определяющим выходную мощность любой вращающейся электрической машины [28],

, где k - постоянная величина, n - скорость вращения ротора, D - диаметр ротора и L - длина ротора в условных единицах.

Прямой привод увеличивает размер электрогенераторов, что эффективно компенсирует снижение веса за счет снятия редукторов.На рис. 16 показан ветрогенератор с прямым приводом, который более чем в 10 раз больше, чем его аналог с редуктором. Более того, для подключения к сети обычно требуются преобразователи мощности с полной номинальной мощностью. Как следствие, всегда необходимо соблюдать баланс между массой машин и редукторов. В гибридных системах используется одна или две ступени шестерен, а не три или четыре, как это требуется в обычных генераторах МВ. Иногда гибридные системы могут предложить лучший компромисс с точки зрения общей производительности ветряной турбины.

Рисунок 16.

Пример ветрогенератора с прямым приводом MW.

Для прямого привода популярной опцией станка являются синхронные машины с постоянным магнитом. Хотя значительные усилия и инвестиции были потрачены на улучшение реактивных машин [10; 15], они по-прежнему коммерчески неконкурентоспособны. Прямой привод создает некоторые проблемы при проектировании генератора и преобразователей энергии. Для генераторов с прямым приводом с постоянными магнитами требуется значительное количество дорогостоящих редкоземельных постоянных магнитов [51; 53; 44].Кроме того, необходимо повысить номинальные характеристики IGBT в встречно-обратном преобразователе или интегрировать компоненты преобразователя со стороны машины с обмотками статора. Очевидно, что преимуществом прямого привода является удаление редуктора за счет увеличения габаритов и веса ветрогенератора. Как показывает практика, объем машины пропорционален требуемому крутящему моменту и обратно пропорционален рабочей скорости для данной мощности. Увеличенная масса генератора может быть ограничивающим фактором для морских установок, поскольку грузоподъемность при транспортировке обычно ограничивается 100 тоннами, так что мощность генератора с прямым приводом не может превышать 10 МВт.

В гибридном варианте размер и частота вращения генератора находятся между прямым и редукторным приводом. В этом случае синхронные машины более популярны, чем асинхронные. Как правило, это среднескоростные многополюсные генераторы, которые почти всегда представляют собой машины с постоянными магнитами. Гибридная трансмиссия может облегчить установку большего количества гондол и соответствовать размеру генератора и коробки передач.

(c) Матовая или бесщеточная топология?

В общем, машины постоянного тока, синхронные генераторы с фазным ротором, индукционные генераторы с фазным ротором используют коммутаторы, щетки или контактные кольца для доступа к цепям вращающегося ротора.Следовательно, текущее обслуживание и замена приводят к некоторым трудностям при использовании ветроэнергетики, особенно для морских установок. Ясно, что было бы особенно желательно избавиться от любых компонентов, физически связанных с вращающимися частями ветряных турбин. Есть несколько способов добиться этого. Взяв, к примеру, DFIG, решением могут быть бесщеточные генераторы с двойной подачей питания (BDFG). В них используются две обмотки статора (силовая обмотка и обмотка управления) с разным числом полюсов.Ротор может быть с короткозамкнутым ротором, и через ротор устанавливается непрямое соединение двух обмоток статора. Также возможно использование реактивного ротора в этой топологии, где машина стала бесщеточным генератором сопротивления [6, 14, 25]. За счет модификации обычных машин достигается более высокая надежность за счет отсутствия щеток и контактных колец. Наказанием является использование двух машин в машинном ящике.

(d) Двухуровневый, многоуровневый или матричный преобразователь?

Силовая электроника признана ключевым компонентом ветряных турбин.В целом, на ветроэнергетическом рынке широко используются три типа преобразователей. Это двухуровневые, многоуровневые и матричные преобразователи.

Двухуровневые преобразователи мощности обычно называют «параллельными преобразователями ШИМ», как показано на рис. 17 (a). В их состав входят два инвертора источника напряжения (со схемой управления ШИМ), подключенные через конденсатор постоянного тока. Это отработанная технология, но она отличается высокой стоимостью, большими потерями при переключении и большими конденсаторами постоянного тока. Любые преобразователи мощности, имеющие три или более уровней напряжения, называются «многоуровневыми преобразователями».Они проиллюстрированы на рис. 17 (b). Они особенно популярны в ветряных турбинах мощностью несколько МВт, поскольку они обеспечивают лучшее напряжение и мощность, меньшие потери при переключении и общие гармонические искажения. Однако силовые электронные схемы более сложны и дороги.

Рисунок 17.

Три типа преобразователей энергии в ветроэнергетических установках. (а) [21], (б) [42], (в) [5].

Напротив, матричные преобразователи отличаются способом преобразования AC-AC. Они устраняют необходимость в каскаде постоянного тока и напрямую синтезируют форму волны входящего переменного напряжения для согласования с требуемым выходным переменным током.Как показано на рис. 17 (c), они обычно имеют девять силовых электронных переключателей, три из которых находятся на общей ножке. Исключение конденсаторов постоянного тока повышает надежность, размер, эффективность и стоимость преобразователей энергии. Недостатками являются ограниченное напряжение (до 86% входного напряжения), чувствительность к возмущениям в сети [26] и большие потери проводящей мощности.

5. Сравнение производительности

Количественное сравнение генераторов DFIG, синхронных генераторов и генераторов с постоянными магнитами приведено в таблице 1. Можно видеть, что ветряные генераторы с прямым приводом больше по размеру, но короче по длине по сравнению с аналогами с редуктором.Исходя из этого ограниченного диапазона данных, трехступенчатые редукторы DFIG кажутся самыми легкими; обычные синхронные генераторы - самые тяжелые и дорогостоящие машины.

Кроме того, в таблице 2 приведено сравнение производительности различных ветряных турбин. ступенчатый редуктор 3-ступенчатый редуктор прямой привод с электрическим возбуждением PM одноступенчатый редуктор прямой привод PM диаметр зазора 3.6 0,84 5 3,6 5 Длина штабеля (м) 0,6 0,75 1,2 0,4 тонн 1,2 905 Вес 8,65 4,03 32,5 4,37 18,1 Масса меди (тонна) 2,72 1,21 12,6 1,373 Вес БДМ (тонна) 0,41 1,7 Стоимость активного материала генератора (кЕвро) 67 30 9024 905 Стоимость редуктора (в евро) 120 220 120 Стоимость преобразователя (в евро) 40 40 12048 12048 Стоимость строительства генератора (кЕвро) 60 30 160 50 150 Общая стоимость системы генератора (кЕвро) 287 320 5650 432 Годовая выработка электроэнергии (МВтч) 7760 7690 7740 90 505 7700 7890 Доходность / общая стоимость (кВтч / евро) 4.22 4,11 3,67 4,09 3,98

Таблица 1.

Количественное сравнение трех основных ветряных генераторов [38; 30].

9050 9050 9050 9050 9038 переменная 905 подача 9 0538 Колебания напряжения плохое 905 низкий 50 высокая
Производительность
индикатор
Генераторы постоянного тока
Индукционные генераторы Синхронные генераторы
PM Сопротивление HTS
Скорость переменная фиксированная переменная переменная 9050 905 905 905 переменная непосредственно в сеть непосредственно в сеть частично статор-преобразователь полностью через преобразователи полностью через преобразователи полностью через преобразователи полностью через преобразователи
высокий высокий низкий низкий низкий средний очень низкий
Масштаб преобразователя 100% 030% 100% 100% 100% 100%
Управляемость плохое плохое хорошее хорошее очень хорошее хорошее очень хорошее Управление активной-реактивной мощностью нет зависимый отдельный отдельный отдельный отдельный отдельный
Возможность поддержки сети низкий высокий 9 905 905 низкий высокий 9050 средний очень высокий средний высокий
КПД низкий низкий высокий высокий очень высокий средний 14 чрезвычайно высокий 14 чрезвычайно высокий 14 очень высокий среднее высокое высокое h высокий очень высокий высокий
Реакция на сбой медленный медленный высокий высокий высокий высокий очень высокий низкий средний средний высокий средний очень высокий
Массовая экономия низкий низкий высокий средний очень низкий высокий средний очень низкий
Пригодность маломощные, бытовые применения малые ветряные турбины средние-большие ветровые турбины малые-средние ветровые турбины прямой привод; малые-средние ветряные турбины ранняя стадия большие ветровые турбины; ранняя стадия

Таблица 2.

Общее сравнение производительности различных ветрогенераторов (частично, 3; 20).

6. Выводы

Энергия ветра привлекла большое внимание исследователей и промышленных сообществ. Считается, что одной из областей роста является рынок морских ветряных турбин. Постоянные усилия по разработке передовых технологий ветряных генераторов уже привели к увеличению производства, надежности, ремонтопригодности и рентабельности. На данном этапе технология индукционных генераторов с двойным питанием (оснащенных системой защиты от неисправностей) будет по-прежнему преобладать в средних и больших ветряных турбинах, в то время как генераторы с постоянными магнитами могут быть конкурентоспособными в малых ветряных турбинах.Другие типы ветряных генераторов начали проникать на ветряные рынки в разной степени. Анализ указывает на тенденцию перехода от генераторов с фиксированной частотой вращения, зубчатых и щеточных генераторов к технологиям генераторов с регулируемой частотой вращения, безредукторных и бесщеточных генераторов при одновременном снижении веса системы, стоимости и частоты отказов.

В этой статье представлен обзор различных ветрогенераторов, включая генераторы постоянного тока, синхронные и асинхронные ветровые турбины, со сравнением их относительных достоинств и недостатков.Более глубокий анализ должен проводиться при проектировании, управлении и эксплуатации ветряных турбин, в первую очередь, с использованием численных, аналитических и экспериментальных методов, если ветряные турбогенераторы должны быть усовершенствованы. Однако, несмотря на продолжающиеся исследования и разработки, ветроэнергетические системы все еще сталкиваются с многочисленными технологическими, экологическими и экономическими проблемами.

Таким образом, возможно, не существует лучшей технологии ветряных генераторов, чтобы отметить все поля. Выбор сложных систем ветряных турбин в значительной степени продиктован капитальными и эксплуатационными затратами, поскольку рынок ветроэнергетики в основном чувствителен к затратам.По сути, решение всегда сводится к сравнению материальных затрат между редкоземельными постоянными магнитами, сверхпроводниками, медью, сталью или другими активными материалами, которые могут значительно меняться время от времени.

Благодарности

Авторы выражают признательность за полезные обсуждения профессору Г. Ашеру из Ноттингемского университета и профессору Б. Мекроу из Ньюкаслского университета, Великобритания.

Производители и турбины - Интернет-доступ

Имя Страна Замечание
2-B Energy Нидерланды
AAER (Pioneer Power Solutions) Канада Приобретено (2010 г.)
Acciona Испания Приобретено (2016)
ACSA Испания Не активен
ADES Испания
Adventure Power Южная Африка Больше нет активности (2018)
Adwen (Gamesa) Испания Приобретено (2016)
Aerodyn Engineering GmbH Германия
Aeronautica Windpower США
Aerovide Германия
Alizeo Франция Больше не активен (2016)
Alstom Power (GE Energy) Франция Приобретено (2015)
Amperax Energie GmbH Германия
Areva Франция Больше не активен (2015)
ATB Riva Calzoni SpA Италия
Autoflug Германия Больше не активен (1995)
Avantis Германия
AVIC Huide Китай Больше не активен (2016)
AWE Канада Больше не активен (2016)
AWT Inc USA Не активен
Бард Германия Больше не активен (2014)
Северный Пекин Китай Неактивен
BEST-Romani Франция Больше не активен (1968)
Blaaster Норвегия Не активен
Бонус (Siemens) Дания Приобретено (2004)
BWU (Repower) Германия Приобретено (2001)
C&F Green Energy Ирландия Больше неактивно (2019)
Картер Исландия Не активен
CATUM Engineering Германия Больше не активен (2018)
China Creative Wind Energy China
Машинка для стрижки USA Больше не активна (2012)
CNYD Китай Не активен
Continental Windpower USA Не активен
CSIC HZ Windpower Китай
CSR Китай Приобретено (2016)
CWEL Индия
Danish Wind Technology (Vestas) Дания Приобретено (1989)
Danregn (Бонус) Германия Приобретено (1983)
Dansk Vind Teknik (Danish Wind Techonoly) Дания Больше не активен (1983)
Danwin (GET Danwin) Дания Приобретено (1992)
Darwind (XEMC-Darwind) Нидерланды Приобретено (2009 г.)
DDIS Франция
Dencon Дания Больше не активен (1989)
DESA Испания Не активен
Dewind USA Больше нет активности (2017)
Dongfang Electric Corporation Китай
Doosan Южная Корея
DWP Дания Больше не активен (1993)
e.нет энергия Германия
Ebara Япония Не активен
Ecotecnia (Alstom Power) Испания Приобретено (2007 г.)
Elecon Engineering Индия Не активен
Electria Wind Испания
Элеон Эстония
Elsam Дания Больше не активен (2005)
Эльсеведи Египет
Enercon Германия
Enron (GE Energy) США Приобретено (2002)
Envision Китай
Eozen Испания Больше не активен (2015)
Equinor (Statoil) Норвегия
Евротурбина Нидерланды Не активна
Eviag (Fuhrländer) Германия Больше не активен (2012)
EWT Нидерланды
Extol Wind Индия
FloWind USA Больше не активен (1996)
Förde WindWerk Германия
Fuhrländer Германия Больше не активен (2013)
Fuhrländer Windtechnology LLC Украина
FWT Германия Больше не активен (2017)
Gamesa Испания Приобретено (2016)
Гаруда Индия
GC China Turbine Corp China Больше нет активности
GE Energy США
Genesys (Vensys) Германия Приобретено (1997)
Geoho Китай
GET Danwin (Norwin) Германия Больше не активен (1992)
GGS Швейцария Больше не активен (2016)
Ghodawat Индия Не активен
Ghrepower Китай
Global Wind Power Дания Неактивен
Goldwind Китай
Гуандун Минъян Китай
Guodian United Power Китай
Halbes

10 больших ветряных турбин | Windpower Monthly

Взгляните на десять самых больших ветряных турбин, доступных сегодня на рынке.

Мы ориентируемся на турбины, которые находятся в производстве или на которые принимаются заказы - исключая снятые с производства, испытательные прототипы для тех, которые никогда не производились, а также проекты, которые все еще находятся на чертежных досках, - чтобы проверить надежность крупнейших моделей отрасли.

Обновлено 3 сентября 2018 г.

===

1. MHI Vestas V164-9.5MW

Номинальная мощность: 9,5 МВт Диаметр ротора: 164 м
Трансмиссия: Среднескоростной редуктор Класс IEC: S

MHI Vestas продолжает лидировать в коммерчески доступных турбинных мощностях.

Совместное предприятие, действующее уже пятый год, показало, что платформа V164, первоначально заявленная как модель мощностью 7 МВт в 2011 году, все еще может развиваться дальше, в то время как конкуренты исследуют совершенно новые продукты.

Новый генеральный директор MHI Vestas Филипп Кавафян сказал, что он может стать «рабочей лошадкой» оффшорной индустрии, и выразил желание сохранить конкурентоспособность платформы еще на несколько лет, делая ставку на то, что индустрия предпочитает проверенный дизайн новой, хотя и более крупной модели.

Его версия турбины мощностью 8-8,8 МВт была установлена ​​(или будет установлена) на нескольких проектах в Великобритании, Голландии, Дании и Германии, всего их 2.24ГВт.

MHI Vestas потерпела небольшую неудачу, когда испытательная турбина мощностью 9,5 МВт в Дании была уничтожена в результате пожара в 2017 году, причиной которого стал неисправный компонент, поврежденный во время установки.

Этот компонент был уникальным для демонстрационной машины и не повлиял на программу испытаний, и модель получила сертификацию в июне 2018 года.

Двигатель V164-9,5 МВт имеет мощность около 3,7 ГВт. Она была названа предпочтительной турбиной для ветряных электростанций Moray East мощностью 950 МВт и Triton Knoll мощностью 860 МВт у восточного побережья Великобритании.Оба проекта получили поддержку в контрактах 2017 года на аукцион поддержки различий.

Он также предназначен для бельгийского проекта Northwester 2 мощностью 224 МВт, немецкого проекта Deutsche Bucht мощностью 252 МВт и участка Borssele III & IV мощностью 731,5 МВт в Нидерландах, где две модели будут впервые установлены на фундаменте с одноковшовым ковшом.

За пределами Европы производитель объявил о подписании соглашения о предпочтительном поставке турбин для своей платформы V164 мощностью 8–9,5 МВт для проектов на Тайване с Copenhagen Infrastructure Partners, которая владеет тремя объектами в округе Чанхуа на западе страны.


2. Siemens Gamesa SG 8.0-167 DD

Номинальная мощность 8 МВт Диаметр ротора 167 м
Трансмиссия Прямой привод IEC Class S (1B)

Siemens Gamesa - еще одна большая турбина, которая претерпела регулярные и постепенные изменения с момента ее первоначального запуска в 2011 году в виде блока мощностью 6 МВт с ротором длиной 120 метров.

Эта модель SG 8.0-167 была представлена ​​на конференции WindEurope в Амстердаме в ноябре 2017 года.

Несмотря на то, что его номинальная мощность составляет 8 МВт, его потенциально можно увеличить до 9 МВт с помощью опции режима мощности.

Ротор теперь имеет диаметр 167 метров - самый большой на рынке в настоящее время - по сравнению с предыдущими 154-метровыми версиями, обеспечивая удельную номинальную мощность 365 Вт / м. 2 при условии мощности 8 МВт.

Последняя эволюция также выиграла от слияния Siemens и Gamesa, последняя из которых владела ныне несуществующей турбиной Adwen мощностью 8 МВт, как с точки зрения технологии, так и с точки зрения трубопроводов.

Его предшественники мощностью 6 МВт с ротором длиной 154 и 120 метров были установлены на объектах Ørsted 210 МВт Westermost Rough (Великобритания), 252 МВт Gode Wind 2 (Германия) и 402 МВт компании Equinors в Даджене (Великобритания), среди других, в то время как последующие 7 МВт считает в своем послужном списке проект Hornsea Project One мощностью 1,2 ГВт и восточную фазу проекта Walney Extension мощностью 329 МВт в Великобритании.

Вместе с аутрайдером мощностью 3,6 МВт они сделали SGRE ведущим производителем оффшорных ветряных турбин в мире.

За десять месяцев с момента запуска новая платформа мощностью 8 МВт получила заказы почти на 5.7 ГВт мощности оффшорной ветроэнергетики, включая 1,5 ГВт во Франции, взятой у Adwen, 900 МВт в Дании и 1,4 ГВт в Великобритании, а также более мелкие заказы в Германии, Нидерландах и Тайване, что означает, что лидирующие позиции SGRE на рынке остаются относительно безопасными.

В отличие от конкурента MHI Vestas, Siemens Gamesa не скрывала, что планирует создать турбину мощностью 10 МВт для следующего поколения, но объявление GE Renewable Energy о ее машине мощностью 12 МВт в начале этого года, возможно, ускорило процесс.


3.Goldwind GW154 6,7 МВт

Номинальная мощность: 6,7 МВт Диаметр ротора: 154 м
Трансмиссия: Прямой привод с постоянными магнитами Класс IEC: I

Сколько стоят ветряные турбины?

Ветряные турбины домашнего или сельскохозяйственного масштаба

Ветряные турбины мощностью менее 100 киловатт стоят примерно от 3000 до 8000 долларов за киловатт мощности. Установка мощностью 10 киловатт (размер, необходимый для питания большого дома) может иметь установленную стоимость от 50 000 до 80 000 долларов (или больше).

Ветровые турбины имеют значительную экономию на масштабе. Меньшие по размеру фермы или жилые турбины в целом стоят меньше, но они дороже за киловатт производимой энергии. Часто существуют налоговые и другие стимулы, которые могут резко снизить стоимость ветроэнергетического проекта.

Коммерческие ветряные турбины

Затраты на ветряную турбину коммунального масштаба колеблются от 1,3 до 2,2 млн долларов на МВт установленной паспортной мощности. Большинство установленных сегодня промышленных турбин имеют мощность 2 МВт и стоят примерно 3-4 миллиона долларов.

Общие затраты на установку ветряной турбины промышленного масштаба будут существенно различаться в зависимости от количества заказанных турбин, стоимости финансирования, даты заключения договора о покупке турбины, контрактов на строительство, местоположения проекта и других факторов. Компоненты затрат для ветроэнергетических проектов включают другие вещи, помимо турбин, такие как расходы на оценку ветровых ресурсов и анализ участка; строительные расходы; разрешительные и межсетевые исследования; модернизация инженерных сетей, трансформаторов, защитного и измерительного оборудования; страхование; эксплуатация, гарантия, обслуживание и ремонт; юридические и консультационные услуги.Другие факторы, которые повлияют на экономику вашего проекта, включают налоги и льготы.

Дополнительные ссылки

Страница Windustry по экономике малого ветра, включая ссылку на наш калькулятор Small Wind

Страница ветроэнергетики о затратах на ветроэнергетические проекты сообщества

Список производителей турбин в нашей ветровой библиотеке

Страница Совета по сертификации малых ветроэнергетических установок о сертифицированных малых ветровых турбинах (свяжитесь с указанными компаниями для получения информации о ценах)

Межгосударственный консультативный совет по турбинам Единый список ветряных турбин

Типы ветряных турбин - информация о турбинах

Имеется два типа ветряных турбин .Один - это ветряные турбины с вертикальной осью , а другой - ветряные турбины с горизонтальной осью. Мы знаем, что во всем мире достаточно ветра, чтобы удовлетворить большую или даже большую часть потребностей человечества в энергии - если бы его можно было эффективно и в достаточно больших масштабах собирать.

Ветровые турбины с вертикальной осью

Вертикальная ось ветряные турбины ( VAWT с), которые могут быть такими же эффективными, как современные системы с горизонтальной осью, могут быть практичными, проще и значительно дешевле в строительстве и обслуживании, чем горизонтальная ось ветряные турбины ( HAWT s).У них также есть другие неотъемлемые преимущества, например, они всегда сталкиваются с ветром, что может сделать их важным игроком в нашем поиске более дешевых и чистых возобновляемых источников электроэнергии. VAWT может даже иметь решающее значение для смягчения проблем стабильности и надежности сетевых соединений, с которыми в настоящее время сталкиваются производители и поставщики электроэнергии. Кроме того, дешевые VAWT могут стать альтернативой уничтожению тропических лесов для выращивания культур биотоплива. В этой статье описываются некоторые результаты исследований конкретной оригинальной конструкции VAWT и приводятся доводы в пользу увеличения исследований и разработок этой технологии.

Ветряные турбины с вертикальной осью (VAWT), помимо того, что они проще и дешевле в сборке, имеют следующие преимущества:

  • Они всегда обращены к ветру - нет необходимости направлять против ветра.
  • Иметь большую площадь поверхности для захвата энергии - может быть во много раз больше.
  • Более эффективны при порывах ветра - уже противостоят порывам.
  • Могут быть установлены в большем количестве мест - на крышах, вдоль шоссе, на стоянках.
  • Не убивайте птиц и диких животных - медленно движущиеся и хорошо заметные.
  • Легче масштабируется - от милливатт до мегаватт.
  • Могут быть значительно дешевле в сборке - они изначально проще.
  • Может иметь низкое время простоя при техническом обслуживании - механизмы на уровне земли или около него
  • Производят меньше шума - низкая скорость означает меньше шума
  • Некоторым более эстетичны.

Ветровые турбины с горизонтальной осью

Ветровые турбины с горизонтальной осью (HAWT) имеют вал главного ротора и электрический генератор наверху башни, и их можно направлять в сторону ветра или наоборот.Маленькие турбины указываются простой ветряной флюгером, в то время как в больших турбинах обычно используется датчик ветра, соединенный с серводвигателем. У большинства из них есть редуктор, который превращает медленное вращение лопастей в более быстрое вращение, которое больше подходит для привода электрического генератора.

Преимущества HAWT

• Регулируемый шаг лопастей, обеспечивающий оптимальный угол атаки лопаток турбины. Возможность дистанционной регулировки угла атаки дает больший контроль, поэтому турбина собирает максимальное количество энергии ветра для времени суток и сезона.

• Высокое основание башни обеспечивает доступ к более сильному ветру на площадках со сдвигом ветра . На некоторых участках сдвига ветра каждые десять метров скорость ветра может увеличиваться на 20%, а выходная мощность - на 34%.

• Высокая эффективность, поскольку лопасти всегда движутся перпендикулярно ветру, получая мощность на протяжении всего вращения. Напротив, все ветряные турбины с вертикальной осью и большинство предлагаемых конструкций воздушных ветряных турбин включают в себя различные типы возвратно-поступательных движений, требуя, чтобы поверхности аэродинамического профиля отклонялись против ветра в течение части цикла.Обратный ход против ветра ведет к снижению эффективности.

Недостатки HAWT

• Высокие башни и лопасти длиной до 90 метров трудно транспортировать. Стоимость транспортировки теперь может составлять 20% от стоимости оборудования.

• Высокие HAWT сложно установить, требуются очень высокие и дорогие краны и квалифицированные операторы.

Добавить комментарий